貴金属／担体における触媒活性に与える貴金属粒径と担体の影響に関する研究

摘要

自動車には排気浄化用触媒が設置されており、触媒は様々な化学反応で無害な材料(水、窒素、および二酸化炭素)に変換する為に必須である。しかし、資源の枯渇化・価格の高騰などにより貴金属の消費量を下げたい。その為には貴金属の活性をさらに高めることが必要である。本研究の目的は、貴金属/担体における触媒活性に関して貴金属の粒径との担体に関する影響を研究することであり、これにより貴金属の消費を下げるのを可能にする情報を得る事である。まず文献情報から仮説を立てた。CO と酸素の反応(以降CO 酸化反応)の場合に貴金属の粒径が大きい時、触媒活性が向上すると数多く報告されている。CO 酸化反応の過程には、拡散・吸着・表面反応・脱離があるが、この中で吸着が律速と考えられている。一般的にCO は電子を金属に与えて吸着、酸素は金属から電子を受けて解離吸着する事が知られている。吸着後表面で反応してCO2 を生成するが連続的にサイクルが生じるためには金属内部の電子が速く元の状態に戻ることも重要な機能と考えられる。これらの情報から次の仮説を立てた。貴金属内部の電子の緩和がもっとも遅い為全体の触媒反応速度を支配すると予想されるので、「光によって励起した電子の緩和が速いほど触媒活性が高い」という仮説である。光励起の緩和時間はレーザー分光法の一つである過渡回折格子法により計測して調べた。最初に金属/担体の中の異なった粒径において、触媒作用が異なっているかを確認した。結果、白金（以降Pt）粒径が大きいほど貴金属表面積あたりのプロパン酸化反応速度が高い事を確認でき文献通りであった。次にPt 粒径の異なるPt/Al2O3 について過渡回折格子法を用いてPt の励起電子の緩和を計測した。結果、Pt 粒径が大きいほど励起電子の緩和が速い事がわかった。この二つの結果を合わせると、励起電子の緩和が速いほどプロパン酸化反応が高い傾向を示す事が明らかになった。これは仮説どおりの結果となった。またPt 以外の貴金属としてパラジウム（以降Pd）、ロジウム（以降Rh）も貴金属粒径の影響について調べた。Pd とRh に関してもPt と同様に、粒径が大きいほど励起電子の緩和が速い事がわかった。次に、貴金属/担体において担体の影響について調べた。Pt/担体における担体としてCeO2 が自動車用触媒として優れ実用化されている。結果、反応速度に関してはPt/CeO2 がPt/Al2O3 よりも大きく、励起電子の緩和に関してはPt/CeO2 がPt/Al2O3 よりも速い緩和であった。この結果は担体としてCeO2 が優れている事を説明できる事がわかった。以上のように、Pt、Pd、Rh において励起電子の緩和が速いほど触媒活性が高く、現在実用化されているPt/CeO2 のように励起電子の緩和が速くなる触媒とすることによって、貴金属の消費を下げる事を可能にするという情報を得ることができた。