格子窒素及び水素を利用した活性触媒界面の形成とその作用機構解明

2022 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: 21H00019
• 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MDX研究センター, 教授 (50470117)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ヒドリドイオン / 活性触媒界面 / 水素化

研究実績の概要

担体の格子アニオンサイトによる遷移金属ナノ粒子触媒のアンモニア分解に対する促進効果を調べる中で、六方晶構造を有する新規酸水素化物BaTiO3-xHxの合成に成功した。本材料は、既報の立方晶BaTiO3-xHxと比較して水素含有量が約2倍であり、金属的な特性を示し2.3eV程度の低い仕事関数を有することがわかった。本材料は、大気中水中でも安定であるため、Pdを担持しフェニルアセチレンの選択水素化反応に用いたところ、酸化物担持Pd触媒よりも著しく高い触媒活性を示した。さらに、繰り返して使用しても活性の低下は見られず、触媒を水および大気にさらしても活性の低下は観測されなかった。低仕事関数のBaTiO3-xHxからPdへの電子移動が起こり、負に帯電したPdナノ粒子が高い触媒活性の要因であることが明らかとなった。
また、LaH2+xを触媒担体とし、Cuを担持することで100℃以下の低温でCO水素化によるメタノール合成反応が促進されることも見いだした。このような低温条件では、工業触媒として利用されているCu/ZnO/Al2O3触媒は全く作動しない。Cu/LaH2+x触媒上での本反応の活性化エネルギーは、43-47 kJ/molであり、Cu/ZnO/Al2O3触媒の109 kJ/molの約半分であった。LaH2+xは高い電子供与性を持ちCuを通じて吸着したCO分子への電子移動が起こり、COの分極が促進される。さらにCu/LaH2+x界面のH-イオンがCO分子の正に帯電したCに付加されることで、低い活性化エネルギーでHCO中間体が形成される。これらの効果により、低温でのメタノール合成が実現していることが明らかとなった。

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] Encapsulated C12A7 electride material enables multistep electron transfer process for cross-coupling reactions (2023)
  • 著者名/発表者名: Bo Dai, Zichuang Li, Miao Xu, Jiang Li,Yangfan Lu, Jiantao Zai, Liuyin Fan, Sang-Won Park, Masato Sasase, Masaaki Kitano, Hideo Hosono, Xin-Hao Li, Tian-Nan Ye, Jie-Sheng Chen
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A. 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1039/D2TA08899
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electronic Promotion of Methanol Synthesis over Cu-Loaded ZnO-Based Catalysts (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Hironobu、Nakamura Nobuhiro、Watanabe Satoru、Kim Junghwan、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 ページ: 1259～1264
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c03427
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quasi-Two-Dimensional Intermetallic Electride CeRuSi for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Cai Weizheng、Zhou Chuan、Hu Xinmeng、Jiao Tiwen、Liu Yijia、Li Lei、Li Jiang、Kitano Masaaki、Hosono Hideo、Wu Jiazhen
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 13 ページ: 4752～4759
  • DOI: 10.1021/acscatal.2c06382
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Room-Temperature CO2 Hydrogenation to Methanol over Air-Stable hcp-PdMo Intermetallic Catalyst (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Hironobu、Miyazaki Masayoshi、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 9410-9416
  • DOI: 10.1021/jacs.2c13801
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hexagonal BaTiO(3-x)Hx Oxyhydride as a Water-Durable Catalyst Support for Chemoselective Hydrogenation (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Masayoshi、Ogasawara Kiya、Nakao Takuya、Sasase Masato、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 ページ: 6453～6464
  • DOI: 10.1021/jacs.2c00976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unique Catalytic Mechanism for Ru-Loaded Ternary Intermetallic Electrides for Ammonia Synthesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Gong Yutong、Li Hongchen、Wu Jiazhen、Song Xingyi、Yang Xueqing、Bao Xiaobing、Han Xiao、Kitano Masaaki、Wang Junjie、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 144 ページ: 8683～8692
  • DOI: 10.1021/jacs.2c01899
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Highly reactive methyl group drives selective catalytic reduction of NOx by methanol on bismuth oxide nanoparticle implanted FER zeolite (2022)
  • 著者名/発表者名: Sun Han、Han Fei、Sun Lu、Mine Shinya、Toyao Takashi、Liu Yunpeng、Wu Zhonghua、Kitano Masaaki、Matsuoka Masaya、Liu Weiwei、Dai Yongqiang、Shen Meiqing、Chen Haijun
  • 雑誌名: Applied Catalysis B: Environmental 巻: 318 ページ: 121883～121883
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121883
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Approach to Chemically Durable Nickel and Cobalt Lanthanum‐Nitride‐Based Catalysts for Ammonia Synthesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Lu Yangfan、Ye Tian‐Nan、Li Jiang、Li Zichuang、Guan Haotian、Sasase Masato、Niwa Yasuhiro、Abe Hitoshi、Li Qian、Pan Fushen、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 61 ページ: e202211759
  • DOI: 10.1002/anie.202211759
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low-Temperature Methanol Synthesis by a Cu-Loaded LaH2+x Electride (2022)
  • 著者名/発表者名: Sugiyama Hironobu、Nakao Takuya、Miyazaki Masayoshi、Abe Hitoshi、Niwa Yasuhiro、Kitano Masaaki、Hosono Hideo
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 12 ページ: 12572～12581
  • DOI: 10.1021/acscatal.2c03662
  • 査読あり
• [学会発表] BaZrO3-xNy 担持Ni 触媒を用いたアンモニア分解反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮下和聡, 小笠原気八, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第131回触媒討論会
• [学会発表] Ammonia Synthesis over Ba-Al Oxyhydride Electride Supported Cobalt Catalyst (2023)
  • 著者名/発表者名: Yihao Jiang, Masayoshi Miyazaki, Hideo Hosono, Masaaki Kitano
  • 学会等名: 第131回触媒討論会
• [学会発表] 酸水素化物BaCe2O4-xHy担持Ru触媒によるアンモニア合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 仁井田海渡, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第131回触媒討論会
• [学会発表] リン酸固定化した酸素欠陥型酸化チタン触媒によるキシロースからフルフラール変換 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今野龍刀，Daniele Padovan，宮崎雅義，細野秀雄，中島清隆，北野政明
  • 学会等名: 第131回触媒討論会
• [学会発表] 高濃度ヒドリドドープされた六方晶チタン酸バリウムを触媒担体に用いた二酸化炭素の水素化反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 王若鵬, 杉山博信, 宮崎雅義，細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第131回触媒討論会
• [学会発表] CaNH担持遷移金属触媒によるアンモニア分解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中村祐也, 小笠原気八, 宮崎雅義，細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第131回触媒討論会
• [学会発表] 酸窒化物担持Ni触媒によるアンモニア分解反応の反応機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宮下和聡, 小笠原気八, 加藤英樹, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 日本化学会第103回春季年会
• [学会発表] グリーンアンモニアを目指した革新的触媒材料の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 五セラミックス研究機関 (東工大-名工大-JFCC-AIST-NIMS) 合同講演会
  • 招待講演
• [学会発表] アニオンサイトを制御した革新的固体触媒による低温での分子活性化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 分子研物質分子科学研究領域研究会「物質分子科学の研究展望」
  • 招待講演
• [学会発表] 低温アンモニア合成を目指した革新的固体触媒の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 錯体化学若手研究会「錯体化学若手の会夏の学校2022」
  • 招待講演
• [学会発表] エレクトライド系触媒による低温アンモニア合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 第44回高分子と水・分離に関する研究会講座
  • 招待講演
• [学会発表] 固体界面ヒドリドを活用した低温作動アンモニア合成触媒への挑戦 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: 日本MRS 水素科学技術連携研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Novel Solid Catalysts with Functional Anion Sites for Ammonia Synthesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Kitano
  • 学会等名: International Conference on Solid Compounds of Transition Elements (SCTE2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 低温アンモニア合成のための材料開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北野政明
  • 学会等名: ナノ空間触媒研究ユニット講演会～資源循環に資する最先端の触媒開発～
  • 招待講演
• [学会発表] Catalytic properties of Oxyhydride and oxynitride barium titanate with a hexagonal structure (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Kitano, Masayoshi Miyazaki, Kiya Ogasawara, Hideo Hosono
  • 学会等名: 2nd Int. Symposium "Hydrogenomics"
  • 国際学会
• [学会発表] Reduction of dinitrogen to ammonia at lattice anion sites of Ba-Ce Oxynitride-Hydrides (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Kitano, Kiya Ogasawara, Masayoshi Miyazaki, Hideo Hosono
  • 学会等名: The 9th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Oxynitride-Hydrides as a catalyst for ammonia synthesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Kitano, Kiya Ogasawara, Masayoshi Miyazaki, Hideo Hosono
  • 学会等名: TYC 6th Energy Workshop: Modeling Energy Interfaces
  • 国際学会
• [学会発表] Ni担持CaNH触媒のNH2-欠陥を利用したアンモニア合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 志田敦, 小笠原気八, 宮下和聡, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第130回触媒討論会
• [学会発表] Ru担持チタン酸バリウム触媒を用いたアミノ酸合成と担体中のアニオン種の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤滉, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第130回触媒討論会
• [学会発表] 酸窒化物担持Ni触媒のN欠陥を利用したアンモニア分解 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮下和聡, 小笠原気八, 加藤英樹, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第130回触媒討論会
• [学会発表] Fe担持触媒のアンモニア合成活性に対する担体内N種の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 池嶋圭祐, 小笠原気八, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第130回触媒討論会
• [学会発表] 水素および窒素ドープしたチタン酸バリウムを担体とするRu触媒上でのアミノ酸合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤滉, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第26回JPIJSポスターセッション
• [学会発表] アニオンドープしたRu担持チタン酸バリウム触媒を用いたアミノ酸合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋藤滉, 宮崎雅義, 小笠原気八, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第12回CSJ化学フェスタ
• [学会発表] 鉄担持酸窒化物によるアンモニア合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 池嶋圭祐, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第26回JPIJSポスターセッション
• [学会発表] Fe担持窒素ドープチタン酸バリウムによるアンモニア合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 池嶋圭祐, 小笠原気八, 宮崎雅義, 細野秀雄, 北野政明
  • 学会等名: 第12回CSJ化学フェスタ
• [図書] Crystalline Metal Oxide Catalysts (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Kitano, Hideo Hosono
  • 総ページ数: 397
  • 出版者: Springer
• [備考] 北野研究室HP
  • URL: https://www.mces.titech.ac.jp/authors/kitano/