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研究概要
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ナノ合金触媒

水素印加処理によるナノ合金の構造制御


合金は、金属組成により多様な構造を示すことが知られている。高効率および高選択性の合金触媒を得る為には、その反応に適した構造および組成をもつ合金粒子を得ることが重要である。我々は、(a)相分離型、(b)不規則固溶体型および(c)規則型などの合金構造を制御し、新規触媒創製を試みている。通常、バルク規則合金は、成分金属を高温で溶融し、徐冷することにより作製される。他方、ナノ粒子の場合、融点近くの高温では粒子同士の凝集が起こるため、直径10 nm以下の規則合金粒子を得るのは困難である。我々は、水素印加処理の適用により、合金ナノ粒子中の元素の再配列を促進することで小粒径の規則合金ナノ粒子を作製することに成功した。







鉄族ナノ合金触媒の作製

 

金属触媒の特性は、粒子サイズ、金属組成、分散性などによって変化する。合理的に触媒を設計するため、我々は、安価な3d遷移金属(Fe, Co, Ni)を構成元素とし、組成および構造が制御されたナノ合金触媒の作製法の探索を行っている。原子レベルで固溶したナノ合金を作製するには、混合金属塩溶液から同時還元により合金を作製することが良い方法であるが、Fe, Co, Niの鉄族金属の酸化還元電位は貴金属などに比べて極めて卑であるため、液相還元法による固溶体型鉄族ナノ合金の作製は困難である。我々は、液相および固相による還元法により、固溶体型FexCoyNi(100-x-y)ナノ合金触媒の作製法を確立した。得られたカーボン担持Fe33Co33Ni33TEM写真から、作製した全ての試料中のナノ合金のサイズは均一であり、担体上に均一に分散されていることがわかった(e)。EDS測定により求められた金属組成は、Fe:Co:Ni1:1:1であった。また、ナノ合金の粉末XRDパターンは単一構造に帰属することができた。以上のことより、ナノ合金一粒子中でFe, Co, Niがよく混合した固溶体型ナノ合金が作製出来たことが明らかとなった。担体に含浸させた金属塩を焼成する従来の方法では、合金サイズは数十から数百nm 程度の大きさとなり、合金の構造・組成は不均一なものとなる。一方、本研究で開発した方法では、20 nm程度のFe33Co33Ni33ナノ合金が高分散に担持されたカーボン担持触媒の作製に成功した。





光水分解発生期水素を利用した材料の合成

 我々が日常生きていくために必要な材料の多くは、化石燃料の改質により作製された水素を原料に用いている。地球温暖化、燃料枯渇の問題から、化石燃料に由来しない資源から水素を獲得し、さらに、効率よく材料に変換することが強く望まれる。そこで、本研究室では、水素源として水、エネルギー源として光(太陽光)を用いて材料を構築するためのシステムの構築を研究している。
肥料の原料であるアンモニア(NH3)は食料危機を克服するための戦略物質と考えられる。しかし、天然ガスの改質により製造されるH2が利用されるため,膨大なエネルギーの投入とCO2の放出をともなう。CuPdの二元金属触媒はNO3-還元反応に高い活性を示すことが知られている.この反応の主生成物はN2NH3であるが,CuPdが良く混合した合金表面ではNH3が選択的に生成すると考えられている.我々は,成分金属が均一に混合したCuPdナノ合金をTiO2に担持させた触媒を作製し、光水分解により発生するH2をもちいたNO3-還元による,CO2放出のないクリーンなNH3製造法を提案している。CuPd/TiO2をもちいNO3-還元反応を暗中(300 Torr水素圧下)および光照射下で行った結果を図(f)に示す。暗中において,NO3-からNO2-への還元反応が進行した。同一条件であっても光照射下においては,多量のNH3の生成が確認された。5時間反応後は,NH3のみが観測された(選択率7%).以上の結果から、 均一に固溶したCuPd合金触媒表面上で光水分解により発生した水素によりNO3-の還元反応では, 高選択的NH3生成が達成されることが明らかとなった。



(f)CuPd/TiO2を用いた光水分解水素発生と発生期水素をもちいたNO3-還元NH3


高選択的ナノ合金触媒による
カーボンニュートラル・エネルギーサイクルの構築

我々は、環境中にある材料(アルコール, アンモニア)を媒体とし、エネルギーのハイブリッド利用(光)による二酸化炭素を環境中に排出しない“カーボンニュートラル(CN)”サイクルを提案している(CRESTHPg)。燃料の酸化にはアニオン形燃料電池を用い, 液体燃料をカルボン酸に選択的に酸化できる燃料電池システムを構築する。また, 燃料の燃焼によって生成する酸化生成物(シュウ酸, 窒素(硝酸)等)を光エネルギーにより, 燃料(EG, アンモニア等)へと高効率高選択的に再生するための光触媒系の開発も行っている。




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イオン伝導体

Coming soon...

















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磁性体

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水素吸蔵体

Coming soon...
























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