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金属間化合物 / 合金 / 破断面 / 触媒特性 / ボールミル / 水素化 / アセチレン水素化 / 粉砕 / 金属粒子 / 触媒作用 / へき開面 / 露出面 / 劈開面 / 白金

本研究の目的は、金属間化合物を物理的に破断したときに現れる新生表面の触媒特性を明らかにすることである。新生表面はごく短寿命であるため、密閉容器中に金属間化合物と反応ガス（アセチレンと水素）を封じてボールミルを行い、反応ガス中での新生表面の形成を試みた。アセチレンの水素化を行った結果、Niを触媒にした場合に比べて、Ni-Fe固溶体合金およびNiGa金属間化合物を用いると、部分水素化によるエチレン生成の選択性が高くなることを見出した。

金属間化合物は通常の合金とは異なり機械的な力が加わると割れやすい性質を持つ。割れた直後の断面（新生表面）はごく短寿命であり、その触媒作用を研究した例はない。本研究では反応ガス中で金属間化合物を粉砕することにより、新生表面の触媒作用を明らかにすることを目指した。アセチレンと水素の混合ガス中で金属間化合物を粉砕したところ、Niに比べて金属間化合物NiGaがエチレンを高選択的に与えることを明らかにした。本反応システムは、機械的エネルギーを触媒の形成および再生に利用するというユニークなシステムであり、他の反応にも広く適用可能と考えられる。

金属間化合物 / 合金 / 触媒 / 水素化 / 選択性 / 部分水素化 / パラジウム / 白金 / 固溶体 / 選択的水素化 / 幾何学的因子 / 微粒子 / 電子的効果 / 幾何学的効果 / 選択水素化 / 位置選択性 / 表面 / 原子配列 / 電子状態

金属間化合物は合金の一種であり、2種類の金属原子が規則的な配列すなわち結晶構造をとる。組成の違いによりそれぞれの化合物は特有の結晶構造を持つため、表面における原子配列も化合物により異なる。このような特異な表面は、２種の原子がランダムに配置している通常の固溶体合金には存在しない。我々は遷移元素と典型元素との様々な組み合わせからなる金属間化合物を、ナノメートルサイズの粒子状でシリカゲル表面に形成することに成功し、これを触媒として水素化・酸化・異性化などの反応を行い、純金属および固溶体合金と比べて高い活性・選択性安定性を持つ触媒を得た。

金属触媒の性能向上のため、第２金属を添加する方法は以前から広く行われてきたが、そのほとんどがランダムな原子配列をとる固溶体合金に関するものであった。我々は規則的原子配列を持つ、すなわち結晶構造を持つ合金である金属間化合物に着目し、その金属表面の特異な原子配列が生起するユニークな触媒作用を解明することに成功した。これにより数百種類以上ある金属間化合物が新規な金属触媒としての大きな可能性を持つことを、触媒研究者に広く知らしめた。

金属間化合物 / 触媒 / 合金 / 水素化 / 脱水素 / 白金 / パラジウム / ロジウム / ナノ粒子 / 選択水素化 / PROX反応 / 酸化脱水素 / ブタジエン / アミン / アルミナ / 触媒・化学プロセス / 水素分子 / アンモニア合成 / 水素移動反応 / 選択的水素化 / d軌道中心

特殊な合金である金属間化合物の触媒としての可能性を明らかにすることを目的とした。金属間化合物微粒子の調製法を検討し、シリカ、アルミナなどの担体の表面に直径10 nm以下の単一相微粒子を形成することに成功した。Ptなどの貴金属とPbなどの典型元素との金属間化合物が、官能基選択的水素化や酸化脱水素などの反応に高い選択性を示すことを見出した。化合物表面における原子の幾何学的配列および電子状態を求め、それらが触媒性能と強く相関していることを明らかにした。金属間化合物は触媒として高いポテンシャルをもつと結論した。

金属間化合物 / 触媒 / コバルト / 白金 / 水素化 / 部分水素化 / アセチレン / ブタジエン / 合金 / エチレン / 水素解離吸着

Co-Ge、Co-Al、Co-Sn系金属間化合物粉末は、高純度粒状金属を所定の比率で混合溶融しインゴットを得た後、空気中で粉砕することにより調製した。X線回折により目的金属間化合物の生成を確認した。XPSスペクトルから、873Kで水素還元することにより空気酸化された表面が完全に金属状態に還元できることが分かった。還元処理後、一酸化炭素の昇温脱離を行った。金属Coと比べCo-Ge系では一酸化炭素の脱離ピークが異なる位置に現れた。水素解離能力を知るため、H_2-D_2交換反応を行った。活性の序列はCo》CoGe>CoAl>CoGe_2>CoSn>Geとなった。
上記金属間化合物を触媒として、アセチレンの水素化反応を行った。Co単体はアセチレンをエタンにまで水素化したが、金属間化合物上ではエチレンが選択的に得られた。金属間化合物の部分水素化に対する特異な触媒特性は、エチレンよりもアセチレンに対してはるかに高い水素化活性をもつためであることを明らかにした。H_2-D_2交換反応をアセチレンあるいはエチレン存在下で行った結果、Co-Ge系金属間化合物上ではこれらの炭化水素が存在すると水素の交換反応がほとんど起こらないことを見いだした。さらにPt-Ge系およびNi-Sn系金属間化合物を調製しH_2-D_2交換反応を行ったところ、PtおよびNiの水素解離能力は大きく低下した。1,3-ブタジエンの水素化を行った結果、Ptは1,3-ブタジエンをブタンにまで容易に水素化するのに対し、Pt-Ge系金属間化合物は高選択的にブテンを生成することが明らかとなった。以上の結果から、水素化活性の高い遷移金属を典型元素と組み合わせて金属間化合物を形成することにより、部分水素化に特異な選択性をもつ触媒が得られることを明らかにした。

【研究連携者】
古川森也	東京工業大学	理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)
小澤健一	東京工業大学	理工学研究科	助教	(Kakenデータベース)
村松淳司	東北大学	多元物質科学研究所	教授	(Kakenデータベース)