卑金属ヒドリド種を基盤とした触媒設計指針の構築と高効率脱水素触媒の開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21J11744
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 安村 駿作 北海道大学, 大学院総合化学院, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2021-04-28 – 2023-03-31
• キーワード: 13族金属ヒドリドの局所構造と選択的脱水素反応

研究実績の概要

二年目は、一年目に発見した水酸化チタン(TiH2)の脱水素作用について、反応経路自動探索法を用いて理論的に解析した。反応経路探索により、TiH2によるプロパン脱水素反応の経路として2種類のメカニズム(step-wise, concerted)が提案された。いずれも活性化障壁は非常に低かった。これはPt系触媒を凌ぐ活性を示した実験事実と一致する。詳細な検討の結果、水酸化チタンの表面に存在する水素欠陥がプロパンの水素を引き抜くことで脱水素反応が進行することが明らかになった。水素欠陥生成エネルギーや欠陥周辺のTiの電子状態について議論した内容について、現在論文投稿準備中である。
また、本研究を通じて取り組んできた卑金属ヒドリド種の局所構造とエタン脱水素作用の関係についてレビュー記事を投稿し、掲載された。還元的固体イオン交換法（RSSIE）を用いてIn-CHAゼオライトを調製する際に、Inヒドリド種が形成されることを確認し、その非酸化的C2H6脱水素反応への触媒作用を明らかにした。また、その詳細な構造と反応機構について、分光学的、動力学的、理論的な研究と合わせて考察した内容をまとめている。
Gaジヒドリド種([GaH2]+)の優先的生成による、Ga交換ゼオライトの選択的な非酸化的C2H6脱水素反応について、Inヒドリド種と比較しながら議論している。
2年間の卑金属ヒドリド種に関する研究の中で得られた結果や知見について、In/Ga活性種の局所構造と反応選択性の関係や、活性種の形成に及ぼすゼオライト骨格の違いの影響などを総合的に考察している。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Low-temperature NOx capture and reduction via NO oxidation by O3 on Cu-CHA (2023)
  • 著者名/発表者名: Qian Yucheng、Yasumura Shunsaku、Mine Shinya、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi
  • 雑誌名: Applied Catalysis A: General 巻: 655 ページ: 119099～119099
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2023.119099
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acid Catalysis over Crystalline Zr3SO9: Role of the Local Structure in Generating Acidity (2023)
  • 著者名/発表者名: Tao Meilin、Ishikawa Satoshi、Ikeda Takuji、Yasumura Shunsaku、Shimoda Kosuke、Osuga Ryota、Jing Yuan、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi、Matsuhashi Hiromi、Ueda Wataru
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 13 ページ: 4517～4532
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c00225
  • 査読あり
• [雑誌論文] In- and Ga-oxo clusters/hydrides in zeolites: speciation and catalysis for light-alkane activations/transformations (2023)
  • 著者名/発表者名: Mengwen Huang、Yasumura Shinsaku、Toyao Takashi、Shimizu Ken-ichi、Maeno Zen
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1039/D3CP00478C
  • 査読あり
• [雑誌論文] An automated reaction route mapping for the reaction of NO and active species on Ag4 clusters in zeolites (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasumura Shunsaku、Kato Taisetsu、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 ページ: 8524～8531
  • DOI: 10.1039/D2CP04761F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental studies on intracrystalline diffusion of NO and NH3 in Cu-CHA (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakasaka Yuta、Kushima Keigo、Yasumura Shunsaku、Shimizu Ken-ichi、Totani Keigo、Shibata Gen、Masuda Takao
  • 雑誌名: Catalysis Today 巻: 411-412 ページ: 113823～113823
  • DOI: 10.1016/j.cattod.2022.06.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic Structural Evolution of [Rh(NO)2]+ Complex/Rh Metal Cluster in Zeolite during de-NOx via in Situ Formed NH3 under Lean/Rich Periodic Conditions (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasumura Shunsaku、Kato Taisetsu、Qian Yucheng、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 ページ: 19147～19158
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c05705
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-Entropy Intermetallics Serve Ultrastable Single-Atom Pt for Propane Dehydrogenation (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakaya Yuki、Hayashida Eigo、Asakura Hiroyuki、Takakusagi Satoru、Yasumura Shunsaku、Shimizu Ken-ichi、Furukawa Shinya
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 ページ: 15944～15953
  • DOI: 10.1021/jacs.2c01200
  • 査読あり
• [雑誌論文] In Situ/Operando Spectroscopic Studies on the NH3-SCR Mechanism over Fe-Zeolites (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasumura Shunsaku、Qian Yucheng、Kato Taisetsu、Mine Shinya、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 12 ページ: 9983～9993
  • DOI: 10.1021/acscatal.2c02904
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanism of Standard NH3-SCR over Cu-CHA via NO+ and HONO Intermediates (2022)
  • 著者名/発表者名: Liu Chong、Yasumura Shunsaku、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 ページ: 11594～11601
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c03432
  • 査読あり
• [雑誌論文] In Situ Spectroscopic Studies of the Redox Catalytic Cycle in NH3-SCR over Chromium-Exchanged Zeolites (2022)
  • 著者名/発表者名: Yasumura Shunsaku、Qian Yucheng、Toyao Takashi、Maeno Zen、Shimizu Ken-ichi
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 ページ: 11082～11090
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c02457
  • 査読あり
• [雑誌論文] Defective NiO as a Stabilizer for Au Single-Atom Catalysts (2022)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Chihiro、Inomata Yusuke、Yasumura Shunsaku、Lin Mingyue、Taketoshi Ayako、Honma Tetsuo、Sakaguchi Norihito、Haruta Masatake、Shimizu Ken-ichi、Ishida Tamao、Murayama Toru
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 12 ページ: 6149～6158
  • DOI: 10.1021/acscatal.2c00108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidation Catalysis over Solid-State Keggin-Type Phosphomolybdic Acid with Oxygen Defects (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Satoshi、Ikeda Takuji、Koutani Maki、Yasumura Shunsaku、Amakawa Kazuhiko、Shimoda Kosuke、Jing Yuan、Toyao Takashi、Sadakane Masahiro、Shimizu Ken-ichi、Ueda Wataru
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 ページ: 7693～7708
  • DOI: 10.1021/jacs.2c00125
• [学会発表] Local structure of Pd2+ cation in high-loading Pd-CHA zeolite and its relationship with NO adsorption/desorption property (2022)
  • 著者名/発表者名: Shunsaku Yasumura, Takashi Toyao, Zen Maeno, Kenichi Shimizu
  • 学会等名: TOCAT9
  • 国際学会
• [学会発表] Dependence of NO adsorption/desorption property on local environment surrounding Pd2+ cation in Pd-CHA (2022)
  • 著者名/発表者名: Shunsaku Yasumura, Takashi Toyao, Zen Maeno, Kenichi Shimizu
  • 学会等名: 12th International Conference on Environmental Catalysis (ICEC2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamic structural evolution of Rh species in zeolite during deNOx under periodic lean/rich condition (2022)
  • 著者名/発表者名: Shunsaku Yasumura, Takashi Toyao, Zen Maeno, Kenichi Shimizu
  • 学会等名: Post symposium of TOCAT9
  • 国際学会
• [学会発表] 周期的lean/rich条件におけるゼオライト内Rh種の動的構造変化と脱硝作用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安村駿作
  • 学会等名: 触媒学会若手会 夏の研修会
  • 国際学会