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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 / 白金 / ニッケル / CVD / 部分水素化 / 脱水素 / 微粒子 / パラジウム / 鉄 / フェロセン / アセトキシル化 / シクロヘキサン脱水素 / スズ / アセチレン水素化 / H_2-D_2平衡化 / XPS / XANES / TiPt_3

Ni-Sn、Pd-Geなどの遷移元素-典型元素、Ti-Pt、Ru-Tiなどの遷移元素-遷移元素の組み合わせによる金属間化合物について、触媒特性を検討した。非担持触媒は、アーク溶融法を用いて調製したインゴットを粉砕することにより得た。これを水素処理し、空気により酸化された表面を還元した。XRD、EDX、XPSの結果から、均一な組成の金属間化合物が得られたこと、および表面においても化合物が形成されることを明らかにした。典型元素を含むNi_3Sn、Pt_3Geなどは、NiやPtと比べて水素分子の解離能がはるかに低いが、アセチレンやブタジェンの部分水素化に高い選択性を示した。一方、Ti_3PtおよびTiPt_3はPtより高い水素解離能をもつことを見出した。
上記の金属間化合物を、CVD法あるいは逐次含浸法でシリカゲル上に高分散担持した。CVD法では、Sn(CH_3)_4、Ge(acac)_2Cl_2、Ti(C_5H_5)_2Cl_2などを水素とともにNi/SiO_2、Pt/H-ZSM-5、Ru/SiO_2などに供給し、Sn、Ge、Tiを蒸着させた。XRD、XPS、XAFSにより、担持した粒子が2-40nmの粒径をもつ単一相の金属間化合物微粒子であることを確認した。触媒活性は非担持化合物と比較し、高分散微粒子化により約3桁向上した。選択性については金属単体触媒にはない以下の性質を見いだした。Ni_3Sn/SiO_2はシクロヘキサンの脱水素においてベンゼンを選択的に与えた。トルエンの酸化的アセトキシル化において、シリカに担持したPd_3Bi、Pd_3Pb、PdInなどがPd/SiO_2と比較して、はるかに高い収率で酢酸ベンジルを与えた。また、RuTi/シリカはフィッシャー・トロプシュ合成において、液状炭化水素を高選択的に与える触媒であることが分かつた。Pt_3Ge/H-ZSM-5上ではブタンから高収率で芳香族炭化水素が生成した。