ヒドリドイオン導電性がおよぼす触媒作用機構の解明

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: ハイドロジェノミクス：高次水素機能による革新的材料・デバイス・反応プロセスの創成
• 研究課題/領域番号: 19H05051
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 北野 政明 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 准教授 (50470117)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ヒドリドイオン / アンモニア合成 / 金属―担体界面

研究実績の概要

本研究では、アルカリ土類ニクトゲン化合物や希土類酸水素化物などのヒドリド化合物を触媒担体として用い、Ru 等の金属ナノ粒子触媒上での水素化反応をH-イオンの反応性により促進させることをねらう。またこの時、担体のヒドリドイオン導電性と触媒活性との相関関係を明らかにし、高性能な触媒材料の設計指針を得ることを主な目的としている。
本年度は、希土類酸水素化物であるLaHOやCeHOにRuを固定化した触媒が、高いアンモニア合成活性を示すことが知られているRu担持La2O3やRu担持CeO2よりも100℃程度低温でアンモニア合成活性を示すことを明らかにした。LaHOのバルクのヒドリドイオン伝導性と触媒活性との間に直接的な相関関係はなく、Ru-担体界面付近に存在するH-イオンの移動度が触媒活性に大きく影響し、またLaH3のような金属水素化物と比べLaHOの方が窒化に対する耐性が強く安定した触媒活性を実現できることを明らかにした。
また、この研究から派生して希土類窒化物をNi触媒の担体として用いると、希土類窒化物上の窒素空孔サイトで窒素分子をNi上で水素分子をそれぞれ活性化することで優れたアンモニア合成触媒となることを見出した。
また、電子供与性のほとんどないCaCN2をRu触媒の担体とすると、反応中にCN2-欠陥が生じそこに電子やH-イオンが入ることで優れたアンモニア合成および分解活性が発言する子をも明らかにした。またRu/CaCN2触媒は大気中で取り扱っても極めて安定であり、触媒活性も大気中に出した後も低下しない触媒材料であることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] PNNL(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: PNNL
• [雑誌論文] Why Ca2NH works as an efficient and stable support of Ru catalyst in ammonia synthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitano Masaaki、Yamagata Kyosuke、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Research on Chemical Intermediates 巻: 47 ページ: 235～248
  • DOI: 10.1007/s11164-020-04332-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ship-in-a-Bottle Synthesis of High Concentration of N2 Molecules in a Cage-Structured Electride (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakao Takuya、Ogasawara Kiya、Kitano Masaaki、Matsuishi Satoru、Sushko Peter V.、Hosono Hideo
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 12 ページ: 1295～1299
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c03800
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Advances in Materials and Applications of Inorganic Electrides (2021)
  • 著者名/発表者名: Hosono Hideo、Kitano Masaaki
  • 雑誌名: Chemical Reviews 巻: 121 ページ: 3121～3185
  • DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c01071
  • 査読あり
• [雑誌論文] 窒化物を利用した貴金属フリーアンモニア合成触媒 (2021)
  • 著者名/発表者名: 北野政明，細野秀雄
  • 雑誌名: 水素エネルギーシステム 巻: 46 ページ: 23-27
• [雑誌論文] Air-Stable Calcium Cyanamide-Supported Ruthenium Catalyst for Ammonia Synthesis and Decomposition (2020)
  • 著者名/発表者名: Kishida Kazuhisa、Kitano Masaaki、Sasase Masato、Sushko Peter V.、Abe Hitoshi、Niwa Yasuhiro、Ogasawara Kiya、Yokoyama Toshiharu、Hosono Hideo
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 3 ページ: 6573～6582
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c00754
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vacancy-enabled N2 activation for ammonia synthesis on an Ni-loaded catalyst (2020)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Park Sang-Won、Lu Yangfan、Li Jiang、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Tada Tomofumi、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Nature 巻: 583 ページ: 391～395
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2464-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contribution of Nitrogen Vacancies to Ammonia Synthesis over Metal Nitride Catalysts (2020)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Park Sang-Won、Lu Yangfan、Li Jiang、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 14374～14383
  • DOI: 10.1021/jacs.0c06624
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intermetallic ZrPd3-Embedded Nanoporous ZrC as an Efficient and Stable Catalyst of the Suzuki Cross-Coupling Reaction (2020)
  • 著者名/発表者名: Lu Yangfan、Ye Tian-Nan、Park Sang-Won、Li Jiang、Sasase Masato、Abe Hitoshi、Niwa Yasuhiro、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 10 ページ: 14366～14374
  • DOI: 10.1021/acscatal.0c03416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Ammonia Synthesis over Phase-Separated Nickel-Based Intermetallic Catalysts (2020)
  • 著者名/発表者名: Ye Tian-Nan、Lu Yangfan、Kobayashi Yasukazu、Li Jiang、Park Sang-Won、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 124 ページ: 28589～28595
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c09590
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ruthenium Catalysts Promoted by Lanthanide Oxyhydrides with High Hydride‐Ion Mobility for Low‐Temperature Ammonia Synthesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Ooya Kayato、Li Jiang、Fukui Keiga、Iimura Soshi、Nakao Takuya、Ogasawara Kiya、Sasase Masato、Abe Hitoshi、Niwa Yasuhiro、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Advanced Energy Materials 巻: 11 ページ: 2003723～2003723
  • DOI: 10.1002/aenm.202003723
  • 査読あり
• [学会発表] アニオン欠陥を活性点とする新規アンモニア合成触媒の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 第10回酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会
  • 招待講演
• [学会発表] アニオン空孔を活用した貴金属フリーアンモニア合成触媒 (2021)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 第2回機能材料設計・開発討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 窒化物系材料を利用した貴金属フリーアンモニア合成触媒 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 第３回 ハイドロジェノミクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 希土類窒化物系材料の格子窒素および水素を利用したMars-van Krevelen機構によるアンモニア合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 北野政明、鯨井純、小笠原気八、多田朋史、細野秀雄
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] 希土類窒化物中の窒素欠陥および担持Niを活性種とするアンモニア分解 (2020)
  • 著者名/発表者名: 竹越洋介, 小笠原気八, 北野政明, 細野秀雄
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] BaCeO3-xNyHzを触媒とするアンモニア合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鯨井純, 北野政明, 小笠原気八, 多田朋史, 細野秀雄
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] Ni担持CaNH触 媒上での NH2-欠陥を介した Mars-van Krevelen 機構によるアンモニア分解反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小笠原気八, 岸田和久, 北野政明, 細野秀雄
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] ヒドリド化合物触媒を用いた光誘起アンモニア合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 阿部涼介, 北野政明, 小笠原気八, 細野秀雄
  • 学会等名: 第126回触媒討論会
• [学会発表] Ni担持CaNH触媒上のアニオン空孔を利用したアンモニア分解 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小笠原気八, 岸田和久, 北野政明, 細野秀雄
  • 学会等名: 第14回物性科学領域横断研究会
• [学会発表] Ni/CaNH界面のアニオン欠陥を活性点とするアンモニア分解反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小笠原気八, 岸田和久, 北野政明, 細野秀雄
  • 学会等名: 第46回固体イオニクス討論会
• [備考] 北野研究室HP
  • URL: https://www.mces.titech.ac.jp/authors/kitano
• [備考] 低温で高効率なアンモニア合成を実現
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/048610.html
• [備考] ニッケルを使った高性能アンモニア合成触媒を開発
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/047268.html
• [備考] ニッケル触媒のアンモニア合成活性、窒素空孔の形成されやすさが鍵
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/047565.html