軌道相関図の表面科学への応用

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本研究では、メタンの非酸化カップリング反応(NOCM)を実現するための触媒開発に取り組んだ。従来のPt触媒では、メタンが過酸化されコークスが生成するため、反応が困難であることが知られている。本研究では、有機金属化学や錯体化学の概念を応用し、分子レベルから問題にアプローチした。特に、C-H結合活性化、すなわち酸化付加反応、C-CおよびH-H結合形成、すなわち還元的脱離について、軌道理論の観点から詳細に議論した。また、密度汎関数法と拡張Hueckel法を用いた計算により、Pt単原子サイトを含む単一原子合金（SAA）触媒の設計を試みた。その結果、Pt1/Au（111）SAA触媒がNOCMに有効であることが理論的に示唆された。このようなSAA表面には、不活性なAu原子の海にPt単原子サイトが1つだけ存在することが期待される。これにより、過酸化を抑制し、還元的脱離を促進することができる。本研究では、ウォルシュ図を表面反応に拡張した図を用いて、C-H結合活性化や還元的脱離などの反応機構を明らかにした。また、Pt1/Au（111）SAA触媒の理論的な設計も行い、実験的な検証が待たれる。この研究成果は、メタンの非酸化カップリング反応の触媒開発に対する新たなアプローチを提供している。従来のPt触媒では達成できなかった反応を、SAA触媒の設計により実現する可能性があることが示唆された。今後は、実験的な検証により、より効率的なSAA触媒の開発が期待される。また、本研究で提唱された反応機構の理解は、新規触媒の開発に対する基盤となるとともに、SAA触媒の設計に応用されることが期待される。さらに、本研究で用いられた軌道理論や計算手法は、触媒開発だけでなく、他の化学分野でも応用が可能であることが示唆される。