プラズマ科学と多元素合金反応場の協奏による革新的分子変換技術の創生

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本年度においては、研究代表者が開発したPd系合金触媒を、研究分担者が開発した流動床式プラズマ照射型反応装置内で反応ガスと反応させることで、金属の合金化がプラズマ触媒反応系において与える影響を検討した。その結果、PdとGaを合金化させたPd2Ga金属間化合物がプラズマを利用したCO2還元反応によるCO生成（逆水性シフト反応）おいて有効な触媒として機能することを見出した。具体的には、Pd2Ga/SiO2触媒は、熱反応においては300℃でCO2転化率が5％程度であるのに対し、誘電体バリア放電を用いたプラズマ中では転化率が32％にまで劇的に向上した。これは300℃における熱力学的平衡転化率である24％を上回る結果であり、プラズマによって還元反応が速度論的にも熱力学的にも促進されていることが判明した。一方でPd/SiO2ではプラズマによる促進効果はほとんど見られず、プラズマを効果的に作用させるために合金化による反応場設計が有効であることが実証された。さらにin-situ FT-IRおよびXAFS分析やDFT計算を用いた詳細な反応機構研究から、プラズマ中ではCO2が振動励起されることで反応が促進されること、さらにはCO2の振動励起だけでなく中間体であるformate種の分解過程にもプラズマが作用し、本過程を促進していることを示す結果も得られた。以上の様に実験だけでなく計算からも反応機構とプラズマの作用メカニズムを解明した点は国内外で高く評価され、本研究コンセプトの重要性と意義が実証された。