ハイエントロピー合金を駆使した表面反応場の精密設計と革新的触媒の開発

表面反应场的精确设计和高熵合金创新催化剂的开发

基本信息

批准号：
22KJ0077
负责人：
シン飛龍
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology (2023)Hokkaido University (2022)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

CO2を利用したプロパン酸化脱水素によるプロピレン製造において，活性・耐久性・CO2利用効率の全てにおいて世界最高性能を更新する高性能新規触媒の開発に成功しました。本反応では，通常のプロパン脱水素とは異なりプロパンとCO2を同時に活性化させる必要があるため，それぞれに適した元素を触媒に加える必要があります。また耐久性の向上には，副反応を抑制して炭素析出を抑えることや，CO2による炭素燃焼を促進させることも必要になります合金の構成元素数を5以上に増やした合金は「ハイエントロピー合金」と呼ばれ，エントロピー効果や緩慢拡散効果といった効果により合金の熱的安定性が向上することが知られています。一方でこのような合金では通常各元素の配列はランダムになるため、目的の触媒反応に適した最適な配列を取るとは限りません。私たちは，構成元素をPt，Co，Ni(ニッケル)，Sn(スズ)，In，Ga(ガリウム)とすることで，規則構造を有するPtSn合金（金属間化合物）と同様の結晶構造を持つ「ハイエントロピー金属間化合物」が形成されることを見出しました。この材料は，PtSn合金のPtサイトをCoおよびNiが，SnサイトをInおよびGaがそれぞれ部分的に置換された構造，すなわち(PtCoNi)(SnInGa)であらわされる構造をとっているため，全ての元素が自身以外の元素と高い確率で隣接し、多元素化による促進効果を最大化できる可能性があります。そこで，合金をナノ粒子としてCeO2（酸化セリウム）担体上に分散担持させた触媒「(PtCoNi)(SnInGa)/CeO2」を設計・合成し，これをCO2によるプロパン酸化脱水素に適用しました。

在利用CO2丙烷氧化脱氢生产丙烯方面，我们成功开发了新型高性能催化剂，其在活性、耐久性和CO2利用效率方面均超越了世界最高性能。与普通丙烷脱氢不同，该反应需要丙烷和CO2同时活化，因此需要在催化剂中添加适合各自的元素。另外，为了提高耐久性，需要抑制副反应以抑制碳析出，并通过CO2促进碳燃烧。众所周知，合金的热稳定性通过诸如熵效应和慢扩散效应等效应来提高。另一方面，在此类合金中，每种元素的排列通常是随机的，因此并不总是适合所需催化反应的最佳排列。通过使用 Pt、Co、Ni（镍）、Sn（锡）、In 和 Ga（镓）作为构成元素，我们创建了类似于 PtSn 合金（金属间化合物）的晶体结构，具有有序结构 We。发现形成了“高熵金属间化合物”。该材料具有PtSn合金的Pt位点部分被Co和Ni取代，Sn位点部分被In和Ga取代的结构，即(PtCoNi)(SnInGa)，因此所有元素都具有较高的与其他元素相邻的概率，潜在地最大化多元素化的促进效果。因此，我们设计并合成了一种催化剂“(PtCoNi)(SnInGa)/CeO2”，其中合金作为纳米粒子分散并负载在CeO2（氧化铈）载体上，并将其应用于使用CO2的丙烷氧化脱氢。