多元素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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従来の一・二元系での触媒設計は柔軟性・拡張性に欠けており、触媒性能の飛躍的な向上は困難である。そこで本研究課題では、多元素合金を構築することにより表面反応場を高い精度・自由度で制御することで、従来の触媒系を凌駕する革新的触媒を開発し、このジレンマを打破することを目指す。令和4年度は「多元素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」に関して、(1) ハイエントロピー金属間化合物によるプロパン脱水素、(2) 合金クラスター触媒によるプロパン脱水素、(3) エチレンのアセトキシル化に有効なPd-Au-Cx構造の発見とAuおよびCxの役割の解明、(4) 合金触媒に関する総説(Chemical Review)の4点の主な成果を得ることができた。(1), (3), (4)に関しては令和4年度に論文掲載済であり、(2) に関しては 現在論文投稿準備中である。特に、(1)に関してはハイエントロピー金属間化合物を初めて熱触媒として利用した最初の報告となった。5元素以上の元素を等モルに近い組成で固溶させた多元素合金、ハイエントロピー合金が近年注目を浴びており、触媒分野でも新たなホットトピックとなっている。ハイエントロピー合金では構成元素やその比率を変化させることにより高い自由度で触媒設計を行うことが出来るが、固溶体合金であるがゆえに表面反応場の精密設計が困難である。一方でハイエントロピー金属間化合物は規則的かつランダムな構造を有する物質であり、高い自由度と精度で表面反応場を設計することができる。しかしながら、この物質は材料分野でも報告例は少なく、触媒分野ではまだ報告されていない未開拓物質である。また、(2)は(1)の触媒性能をさらに凌駕する優れた触媒であり、令和5年度は(2)に関する学理構築のため、開発した触媒の詳細な構造解析、反応解析、速度論的検討、理論計算をメインに行う。また、これまで開発してきた合金触媒を様々な反応系にも展開する。