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。

在使用CO2丙烷氧化和脱氢作用的丙烯生产中，我们成功地开发了一种新的高性能催化剂，该催化剂在活动，耐用性和CO2利用效率方面的性能最高。与正常的丙烷脱氢作用不同，必须同时激活丙烷和二氧化碳，因此必须将每个反应的适当元素添加到催化剂中。此外，为了提高耐用性，有必要抑制侧反应以抑制碳沉淀并促进由Co2.合金引起的碳燃烧，其合金的成分元素数量增加到5或更多，称为“高熵合金”，被称为“高熵合金”，并且众所周知，可以改善诸如摄入效果之类的摄入效果的热稳定性和缓慢的扩散效果。另一方面，在这种合金中，每个元素的排列通常是随机的，因此最佳排列不一定适合所需的催化反应。我们发现，通过设置组成元素PT，CO，Ni（Nickel），SN（TIN），IN和GA（Gailium），一种“高渗透型金属间化合物”，具有类似于PTSN合金（金属间化合物）的晶体结构，具有常规结构。该材料具有一个结构，其中Co和Ni被PTSN合金中的SN位点部分替换，并且IN和GA分别为（PTCONI）（Sninga）（Sninga），因此所有元素都具有很高的概率与自身以外的元素相邻，并且可以最大程度地提高多元素促进效应。因此，我们设计和合成了一种称为“（PTCONI）（SNENGA）/CEO2”的催化剂，其中合金在CEO2（氧化岩岩）支持使用纳米粒子的载体上分散并支撑，并将其应用于丙烷氧化和使用CO2的脱氢作用。