【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.07.28】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22OS0026

利用課題名 / Title

革新的CO₂水素化触媒の開発

利用した実施機関 / Support Institute

大阪大学 / Osaka Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

STEM, ZrO2, CO2,電子顕微鏡/Electron microscopy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

多田 昌平

所属名 / Affiliation

北海道大学

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

西嶋雅彦

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

OS-003：200kV原子分解能走査透過分析電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

我々はカーボンニュートラル社会実現に向けて、革新的なCO2水素化触媒の開発を行っている。特に、ZrO2を担体にした固体触媒では、CO2活性化がスムーズに進行するため、様々なCO2水素化反応に応用が可能である。生成物選択性を決定付ける要因の一つに、担持金属種の選定があげられる。Ru系触媒を用いるとCH4が主生成物として取得可能となる。しかしながら、旧来のTEMで測定を行うと、担持金属種とZrO2のコントラスト差があまり出ず、担持金属種の形状を理解することができない。本課題では活性金属種の分散状態を超高分解能透過型電子顕微鏡（JEM-ARM200F）により観察することを目的とする。

実験 / Experimental

湿式含浸法、選択析出法（焼成あり）、選択析出法（焼成なし）の3種類の方法でRu担持金属酸化物触媒を調製した。反応試験には、固定床流通式反応器を使用した。前処理として、Ar:H₂=90:10の混合ガスを300℃で1時間触媒層に導入し、水素還元を行った。反応ガス組成はCO₂:H₂:N₂=1:4:5、ガス流量は50 mL_STP/min、反応温度は200℃～300℃の範囲で、25℃刻みに降温試験を実施した。特性評価は、X線回折法(XRD)、蛍光X線分析法(XRF)、N₂吸着、CO₂昇温脱離法(CO₂-TPD)、走査電子顕微鏡(SEM)、走査型透過電子顕微鏡(STEM)を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Ru/ZrO₂触媒に着目し、調製方法と担体種の検討を行った。3種類の調製方法のうち、選択析出法（焼成なし）で調製した触媒が最も高いCO₂転化率を示した。これを踏まえ、選択析出法（焼成なし）で調製したRu/単斜晶ZrO₂（m-ZrO₂）およびRu/非晶質ZrO₂（am-ZrO₂）を用いて、担体種の検討を行った。反応試験の結果、Ru/m-ZrO₂のほうが、Ru/am-ZrO₂よりも高活性を示した。さらにRu/m-ZrO₂は、225℃の低温でも70時間もの間、高活性を保ち続けていた。STEMより、長期試験前後でRuの分散度や表面の様子に変化がないためであると示唆される。開発した触媒のSTEM像およびRuマッピングを確認したところ、すべての触媒において数ナノメートル程度のRu粒子がZrO₂上に分散されている様子が確認された。（図）そのため、触媒性能を決定付けた要因が、Ru粒子の形成とは関係なく、おそらくZrO₂側の化学的物性の違いに起因していると示唆される。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図　含浸法および選択析出法で調製したRu/m-ZrO2触媒のSTEM像．数nm程度のRuナノ粒子が観測された．

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 地主園 朋奈、山内 紀子、小林 芳男、多田 昌平、CO2メタネーション低温化を目的とした新規触媒の開発、第25回化学工学会学生発表会、E11、2023/3/4
2. 向山 莉緒、山内 紀子、小林 芳男、多田 昌平、CO2水素化によるメタノール合成の低温化を志向した新規触媒開発、第25回化学工学会学生発表会、E20、2023/3/4
3. 小倉 有里加、山内 紀子、小林 芳男、多田 昌平、バイオガスから有用物質を合成する新規触媒の検討、第25回化学工学会学生発表会、J31、2023/3/4

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件