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本研究課題では、低級アルカンや不飽和アルデヒド選択酸化反応に極めて優れた酸化触媒活性を示す結晶性Mo3VOx複合酸化物（MoVO）の酸化触媒機能解明と、これの多元化による触媒機能制御を目的とした。
酸化触媒機能解明を目的とした実験では、エタン酸化的脱水素反応をモデル反応とした。MoVOは適切な酸化還元処理により結晶構造中特定部位の格子酸素が脱離し、これにより酸化触媒活性が3倍程度向上することが分かっていた。本研究では、当該格子酸素部位を特定し、酸素欠損部で発現する酸化触媒機能の解明を目指した。中性子線回折やABF-STEM分析、DFT計算などにより、適切な酸化還元処理によって、7員環に隣接した架橋酸素が不可逆的に脱離することが分かった。これにより、欠損隣接部に隣接した金属元素に電子が局在化した。分子酸素導入に際し、これらの電子は分子酸素に移行し、親電子性を備えたペルオキソ種を形成した。このペルオキソ種はエタンから水素をラジカル的に引き抜き、円滑に反応を進行することが分かった。
MoVOの多元化による触媒機能制御については、アクロレイン選択酸化反応をモデル反応とした。適切な構造規定材を選択することで、MoVOの結晶構造をそのままに、構造中にCuおよびWを導入できた（MoVCuWO）。Cuは構造中の7員環組織に取り込まれ、酸素活性化の程度に作用し、非選択的な酸素種の生成を抑制した。Wは構造中の5員環ユニットに取り込まれ、触媒酸性質を改変した。以上の元素導入によって得られたMoVCuWOは低水分圧下でも安定な触媒活性を示し、かつ優れたアクリル酸選択率を示した。工業触媒のモデルとして調製したMo-V-Cu-W複合酸化物を合成し、その局所構造を観察したところ、MoVCuWOと同様の構造組織が観測された。本研究で合成したMoVCuWOが工業触媒の真の触媒活性構造と結論できた。
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