卑金属サブナノ粒子の合金化による触媒機能増幅

通过贱金属亚纳米颗粒合金化增强催化功能

• 批准号: 22KJ1315
• 负责人: 森合 達也
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1315/
• 关键词: デンドリマー; サブナノ粒子; ニッケル; 環境浄化型触媒; メタンのドライリフォーミング反応; 第四周期元素

比較的安価で市場規模が大きい卑金属元素であるニッケルに着目し、従来の貴金属材料の代替となるような環境浄化型触媒の開発を行った。初めに、当研究グループが独自に開発した樹状高分子であるデンドリマーを用いた鋳型合成法により、4種類の核数を持つニッケルサブナノ粒子の合成を達成した。次に、これらをメタンのドライリフォーミング反応の触媒として応用し、ニッケルのナノ粒子やバルクとの性能比較を行った。結果として、本反応の昇温実験において、28核ニッケルサブナノ粒子が最も低い反応開始温度を示し、これが熱力学的平衡計算で得られた理論的限界値と一致するほどであることも判明した。実際に、この際の反応における活性化エネルギーを算出した結果、1 kcal/molを下回っていることが明らかとなり、従来触媒と比べて活性化障壁を格段に下げることに成功した。この成果から、触媒を原子レベルで適切にデザインすることで反応に最適なサイトが形成し、卑金属でさえ活性を最大限まで向上させることが可能であることが示された。続いて、卑金属元素の拡張を目指し、ニッケル以外にもチタンから亜鉛までの計9種類の第四周期元素において、サブナノ粒子の合成を行った。結果的に、全ての元素間で錯形成挙動を統一することに成功し、これに伴い、統一条件における9種類の第四周期金属サブナノ粒子の合成に成功した。さらに、この条件を用いることで、多元素合金サブナノ粒子の合成も達成した。

我们针对镍这种价格相对便宜、市场广阔的贱金属元素，开发了一种环境净化催化剂，可以作为传统贵金属材料的替代品。首先，我们使用树枝状聚合物（一种由我们研究组最初开发的树枝状聚合物）进行模板合成方法，实现了具有四种不同核数的镍亚纳米颗粒的合成。接下来，我们将它们用作甲烷干重整反应的催化剂，并将其与镍纳米粒子和本体的性能进行比较。结果，在该反应的升温实验中，发现28核镍亚纳米粒子表现出最低的反应起始温度，与热力学平衡计算得出的理论极限值相符。事实上，我们计算了该反应的活化能，发现其小于 1 kcal/mol，与传统催化剂相比，成功地显着降低了活化势垒。这一结果表明，通过在原子水平上适当设计催化剂，可以形成最佳的反应位点，并最大限度地提高贱金属的活性。接下来，为了扩大贱金属元素的范围，除了镍之外，他们还使用钛到锌等总共九种第四周期元素合成了亚纳米粒子。结果，我们成功地统一了所有元素之间的复杂形成行为，同时，我们成功地在统一的条件下合成了九种第四周期金属亚纳米颗粒。此外，利用这些条件，我们还实现了多元合金亚纳米颗粒的合成。