ハイエントロピー合金を駆使した表面反応場の精密設計と革新的触媒の開発

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CO2を利用したプロパン酸化脱水素によるプロピレン製造において，活性・耐久性・CO2利用効率の全てにおいて世界最高性能を更新する高性能新規触媒の開発に成功しました。本反応では，通常のプロパン脱水素とは異なりプロパンとCO2を同時に活性化させる必要があるため，それぞれに適した元素を触媒に加える必要があります。また耐久性の向上には，副反応を抑制して炭素析出を抑えることや，CO2による炭素燃焼を促進させることも必要になります合金の構成元素数を5以上に増やした合金は「ハイエントロピー合金」と呼ばれ，エントロピー効果や緩慢拡散効果といった効果により合金の熱的安定性が向上することが知られています。一方でこのような合金では通常各元素の配列はランダムになるため、目的の触媒反応に適した最適な配列を取るとは限りません。私たちは，構成元素をPt，Co，Ni(ニッケル)，Sn(スズ)，In，Ga(ガリウム)とすることで，規則構造を有するPtSn合金（金属間化合物）と同様の結晶構造を持つ「ハイエントロピー金属間化合物」が形成されることを見出しました。この材料は，PtSn合金のPtサイトをCoおよびNiが，SnサイトをInおよびGaがそれぞれ部分的に置換された構造，すなわち(PtCoNi)(SnInGa)であらわされる構造をとっているため，全ての元素が自身以外の元素と高い確率で隣接し、多元素化による促進効果を最大化できる可能性があります。そこで，合金をナノ粒子としてCeO2（酸化セリウム）担体上に分散担持させた触媒「(PtCoNi)(SnInGa)/CeO2」を設計・合成し，これをCO2によるプロパン酸化脱水素に適用しました。