日本化学会

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メタン燃焼触媒の高活性化

Enhanced Catalytic Performance for Methane Combustion

 天然ガス自動車のエンジンから排出される未燃焼メタンは二酸化炭素の約25倍の温室効果をもつため,燃焼除去する必要がある。メタン燃焼触媒として担持Pdナノ粒子が有効ではあるが,現在の触媒技術では十分なメタン燃焼除去を達成するために,多量のPd が必要となる。天然ガス自動車台数は年々増加しており,今後ますますPd 触媒の需要が高まると予想されるが,Pdは希少性が高く価格も高い。Pd 使用量削減のために,触媒の高性能化が求められている。
 メタン燃焼反応条件下でPd 触媒は,少なくともその表面が酸化状態にあり,メタンはPdO 種の格子酸素を介するMars van Krevelen 機構で酸化される1)。最近の理論計算を用いた研究で,PdO 表面構造によって格子酸素とメタンの反応性が変化することが示されている1)。このような中,筆者らは,実用的触媒であるAl2O3担持Pd ナノ粒子(Pd/Al2O3)について,Pd 粒子サイズとPd-Al2O3間の相互作用によって,Pdナノ粒子の形状・結晶状態が変化し,メタン燃焼活性が大きく変化することを見いだした(図)2)。Al2O3上のPd ナノ粒子を制御することで, 既報の高活性コアシェル型Pd@CeO2触媒3)に匹敵する性能が発現する。
 今回のPd/Al2O3の研究および文献調査を通して,筆者は一般的な手法・組成で調製した担持Pd 触媒のメタン燃焼活性の限界を感じる。メタン燃焼活性を大きく向上させ,Pd使用量の大幅削減を達成するためには,今後,メタン活性化に関する基礎研究,新しい触媒材料・技術開発が必要であると考える。

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1) Y. C. Chin et al., J. Phys. Chem. C 2016, 120, 1446; J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15425.
2) K. Murata et al., Angew. Chem. 2017, 56, 15993.
3) M. Cargnello et al., Science 2013, 341, 771.
大山順也 名古屋大学