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Auクラスターのサイズに依存する特異な触媒作用が興味を集めている。Au触媒の特異な触媒作用の一つとして、水素化反応における高い選択性が挙げられる。具体的には、金ナノ粒子を触媒に用いると、不飽和アルデヒドおよびニトロ化合物のアルデヒド基あるいはニトロ基のみを選択的に水素化することができる。さらに、その触媒活性はサイズに依存し、3 nm以下になると劇的に向上する。本研究では、担持Au触媒について、①水素化反応におけるサイズ効果を原子レベルで解明する、②新規触媒作用を開拓する、③触媒性能向上のために担体上でAuクラスターのサイズを制御する技術を開発することを目的とした。
前年度、アルデヒド化合物とニトロ化合物の水素化反応に対するサイズ効果が異なることを見出した。本年度、収差補正STEMによる原子スケールでのサイズ分布解析を基に、反応に有効なサイズを詳細に解析したところ、アルデヒド化合物に対しては0.6-1.2 nm、ニトロ化合物に対しては1.5-1.8 nmのAuクラスターが高活性であると示唆された。反応物によって異なるサイズ効果の起源を明らかにするために、X線吸収分光法等を用いてAu粒子への反応物の吸着を評価した。その結果、アルデヒド化合物はAu粒子のコーナーに強く吸着し、ニトロ化合物は担体とAu粒子のエッジから成る界面に弱く吸着することが示唆された。この結果から、反応物によってサイズ効果が異なる理由は、反応物によってAuクラスターへの吸着が異なるためであると結論づけた。
Auクラスターのサイズ制御のために、Al2O3担体の修飾を検討した。Al2O3にFe酸化物を添加したFeOx/Al2O3を担体として用いることで、生成するAuクラスターのサイズ分布を狭くすることができ、特に、Fe10wt%、Au1wt%の条件で調製したときに、0.6-1.2 nmのAuクラスターが高い割合で生成した。これによりアルデヒド化合物の水素化反応に対する触媒活性を約4倍向上させることに成功した。
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