電場中での触媒反応の学理解明とその応用

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22360340
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 関根 泰 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20302771)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 水蒸気改質 / 触媒 / 水素製造 / 電場印加

研究概要

本年度、電場を印加した触媒反応に関する研究を通して、以下のことが明らかとなった。まず、低温・低流量において、電場の印加に伴う過渡応答を検討した結果、Q-MassのH2Oシグナルは立ち上がり、CH4シグナルは立ち下ったことから、電場印加に伴い，活性化されたH2O分子(H2Oact)が触媒表面上のH2Oに衝突し、脱離が促進されるとともに、CH4の解離吸着が促進されると考えられる。Electreformingでは、律速段階が従来の触媒のみの反応の律速段階であるCH4の解離吸着から、H2Oの担体上への吸着へと変化した。また、水蒸気改質としてはCH4のPt上での解離吸着種と、触媒上の吸着H2O種との反応が進行することが示唆された。Electreformingにおいて水性ガスシフト反応は、COと気相中のH2Oが関与して進行することが示唆された。またさらに、Ceはいずれの前処理（昇温・酸化・還元）を施しても、4価を保っており、電場印加によってCeの配位数は低下するが、印加終了時には上昇することがわかった。メタリックな状態のPtは、SR進行によりわずかに酸化され、Electreforming進行によってより強い酸化状態をとっていることがわかった。さらには、電場の印加を止めても、Ptは酸化された状態を維持しており、IR測定より、H2Oの触媒表面への吸着状態はOHではなく、H2Oである可能性が示唆された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

電場反応における過渡応答を四重極質量分析計による詳細な解析で明らかにすることが出来、また担持金属の微細構造の変化についてもSPring-8でのin-situでのEXAFS観察により電位印加応答が明らかとなった。これまでにこれらの現象は報告例がなく、反応場のその場観察による詳細なメカニズムが明らかになってきたことで、今後さらなる研究の進捗が望める。

今後の研究の推進方策

最終年度となる２０１３年度は、担持金属微細構造と担体構造、電子状態が反応にどのような影響を与えるかについて、総括的な検討を行うとともに、さらなる高性能な触媒プロセスの提案を進め、低温での電場中での触媒反応の学理解明と応用の展開を完成させたい。

研究成果

• [雑誌論文] Highly and stably dispersed Pt catalysts supported over La1-xSrxAlO3-0.5x perovskite for oxidative methane activation and their structures (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Mukai, Y. Izutsu, Y. Sekine
  • 雑誌名: Appl. Catal. A : Gen 巻: 458 ページ: 71-81
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2013.03.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of alkali metal in a highly active Pd/alkali/Fe2O3 catalyst for water gas shift reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: R. Watanabe, Y. Sakamoto, K. Yamamuro, S. Tamura, E. Kikuchi, Y. Sekine
  • 雑誌名: Appl. Catal. A : Gen 巻: 457 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2013.03.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidative coupling of methane using carbon dioxide in an electric field over La-ZrO2 catalyst at low external temperature (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Oshima, K. Tanaka, T. Yabe, E. Kikuchi, Y. Sekine
  • 雑誌名: Fuel 巻: 107 ページ: 879-881
  • DOI: 10.1016/j.fuel.2013.01.058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low temperature hydrogen production by catalytic steam reforming of methane in an electric field (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Oshima, T. Shinagawa, M. Haraguchi, Y. Sekine
  • 雑誌名: Int. J. Hydrogen Energy 巻: 38(7) ページ: 3003-3011
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.12.069
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of support lattice oxygen on steam reforming of toluene for hydrogen production over Ni/La0.7Sr0.3AlO3-d catalyst (2013)
  • 著者名/発表者名: D. Mukai, S. Tochiya, Y. Murai, M. Imori, T. Hashimoto, Y. Sugiura, Y. Sekine
  • 雑誌名: Appl. Catal. A : Gen 巻: 453 ページ: 60-70
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2012.11.040
  • 査読あり
• [雑誌論文] Steam reforming of toluene over perovskite-supported Ni catalysts (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekine, D. Mukai, Y. Murai, S. Tochiya, Y. Izutsu, K. Sekiguchi, N. Hosomura, H. Arai, E. Kikuchi, Y. Sugiura
  • 雑誌名: Appl. Catal. A : Gen 巻: 451 ページ: 160-167
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2012.11.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Methane conversion assisted by plasma or electric field (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Oshima, T. Shinagawa, Y. Sekine
  • 雑誌名: J. Jpn. Petrol. Inst. 巻: 56(1) ページ: 11-21
  • DOI: 10.1627/JPI.56.11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low temperature plasma-assisted gasification of carbon particle by lattice oxygen on/in oxide catalyst (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekine, H. Koyama, M. Matsukata, E. Kikuchi
  • 雑誌名: Fuel 巻: 103 ページ: 2-6
  • DOI: 10.1016/j.fuel.2011.03.046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-temperature NO decomposition in humidified condition using plasma-catalyst system (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Takahara
  • 雑誌名: Catalysis Today 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1016/j.cattod.2013.03.032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxidative dehydrogenation of ethylbenzene over La0.8Ba0.2Fe0.4Mn0.6O3－d perovskite oxide catalyst (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Mukawa
  • 雑誌名: Applied Catalysis A:General 巻: 456 ページ: 197-203
  • DOI: 10.1016/j.apcata.2013.02.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] One pot direct catalytic conversion of cellulose to hydrocarbon by decarbonation using Pt/H-beta zeolite catalyst at low temperature (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Kato
  • 雑誌名: Catalysis Letters 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1007/s10562-013-0992-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen production by water gas shift reaction over Pd–K impregnated Co oxide catalyst (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yamamuro
  • 雑誌名: Catalysis Letters 巻: 143 ページ: 339-344
  • DOI: 10.1007/s10562-013-0974-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Catalytic oxidative coupling of methane with a dark current in an electric field at low external temperature (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Oshima
  • 雑誌名: International Journal of Plasma Environmental Science and Engineering 巻: 6 ページ: 266-271
  • 査読あり
• [備考] 研究者Web
  • URL: http://www.f.waseda.jp/ysekine