2019 Fiscal Year Research-status Report
協奏的酸塩基複合ナノ構造を有するメタン酸化カップリング触媒の創成
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18K05294
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
羽田 政明 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70344140)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | メタン酸化カップリング / 酸塩基複合化触媒 / NO直接分解 / 希土類酸化物 / 触媒機能解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2018年度の検討において、単純な希土類酸化物においてもエタン/エチレン収率とNO直接分解活性には比較的良好な相関性があることを見出したことから、継続的に検討しているNO直接分解触媒の酸塩基性を改良することによる活性向上を目指した。
まず、Ba/Y2O3の塩基性を制御するため添加したCeO2の効果を検証したところ、メタン転化率は僅かに向上したものの、エタン/エチレン選択率が低下し、結果としてエタン/エチレン収率も低下した。さらに酸素の活性化効果がある遷移金属の少量添加を検討し、Fe添加によりNO直接分解活性が向上することを見出した。そこでBa/Fe/CeO2/Y2O3についてメタン酸化カップリング反応を実施したところ、エタン/エチレン選択率だけでなく、メタン転化率も大きく低下した。
CeO2はエタン/エチレン選択率は低下したものの、メタン転化率が向上したことから、その役割を解析することによりエタン/エチレン選択率を高めることができると考え、同位体酸素ならびにin situラマン分光法による評価を実施した。ベース触媒であるCeO2/Y2O3について酸素同位体交換反応を実施したところ、CeO2添加により低温で酸素交換反応が起こること、CeO2添加量が3mol%で最も効果的であることを見出した。これはエタン/エチレン収率とも一致した。そこで触媒活性の発現に関与する活性点構造の知見を得るため、還元/酸化雰囲気でのラマン測定を実施した。緩慢な変化を観察するため反応温度よりも低い200℃で評価したが、還元雰囲気でのCe-O結合の減少ならびに酸化雰囲気でのCe-O結合の再生が極めて速いことがわかった。これはCeO2の役割が酸素の活性化であることを示唆する結果ではあるが、活性点構造に関する知見を創出できなかった。引き続き、活性点構造を明らかにするための検討を実施する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2019年度は、塩基性制御によるメタン酸化カップリング活性の向上と添加元素の触媒効果について検討した。NO直接分解活性向上に有効な添加物の有効性を検証するとともに、効果のあったCeO2の役割について詳細な検討を実施し、酸素の活性化能の重要性を明らかにすることができた。2018年度から検討を進めていたin situラマン分光法を本格的に稼働させることができたが、目的とする活性点構造に関する知見を得るには至っておらず、引き続き検討が必要である。触媒改良に繋がる知見も出てきていることから、おおむね計画通りに進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018～2019年度の検討により、酸塩基の二元機能に加え、酸素活性化能を有する酸化物との複合化の有効性を見出すことができた。この知見をさらに発展させ、特に塩基点をナノ分散することによる活性向上と酸素活性化能として欠陥サイトを有する酸化物を効果的に複合化することによる機能向上を目指す。さらに、活性点に関する評価手法としての有効性が検証できたin situラマン分光法を活用し、同位体酸素を用いることで活性点をラベル化することによる観察を行う。得られた成果を整理し、高活性なメタン酸化カップリング触媒を創成するための触媒設計指針を提案する。
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| Causes of Carryover |
2019年度は備品購入はなく、計画通りに予算を執行したが、当初購入を予定していた同位体酸素については、実験条件の見直しにより同位体酸素の消費を抑えることができ、購入する必要がなくなり、次年度利用（約21万円）が発生した。次年度利用の経費に加えて、2020年度に配分される研究費と合わせて同位体酸素（約18万円）を購入する計画である。
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