ゼオライト中の金属カチオン配置を精密制御する新手法(Controllable Distribution of Metal Cations in Zeolites)

2026-06-30 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国のPacific Northwest National Laboratory(PNNL)の研究チームは、ゼオライト中の二価金属カチオン(Pd、Pt、Ni、Cr、Cu)の配置を意図的に制御する新たな合成手法を開発し、その配置が触媒反応や吸着特性に与える影響を体系的に解明した。従来は金属カチオンの存在状態を精密に制御することが難しかったが、本研究では、ゼオライト骨格中のアルミニウム原子の分布を制御することで、金属カチオンをM²⁺/2Alまたは**[M–OH]⁺/1Al**という異なる状態に選択的に固定することに成功した。赤外分光、電子スピン共鳴(EPR)、EXAFS、固体NMR、第一原理計算などを組み合わせた解析により、それぞれの活性点がエチレン二量化、ワッカー酸化、NO吸着、選択的触媒還元(SCR)、メタン酸化などで異なる反応性を示すことを明らかにした。さらに、これまで知られていなかった反応中間体や触媒機構も提案され、ゼオライト触媒設計の新たな指針を示した。本成果は、環境浄化触媒や化学品製造、炭素中立技術の高性能触媒開発を加速する重要な基盤技術となる。

<関連情報>

ゼオライト中の金属カチオン(Pd、Pt、Ni、Cr、Cu)の[M-OH] +1 /1AlまたはM +2 /2Alとしての制御可能な分布からの吸着反応および触媒反応のメカニズム的考察 Mechanistic Insights into Adsorptive and Catalytic Reactions from Controllable Distributions of Metal Cations (Pd, Pt, Ni, Cr, Cu) as [M-OH]+1/1Al or M+2/2Al in Zeolites

Nicholas R. Jaegers, Miroslaw A. Derewinski, Eric D. Walter, Iskra Z. Koleva, Daria Boglaienko, Dhruba J. Deka, Garam Lee, Trent R. Graham, Libor Kovarik, Yong Wang, Janos Szanyi,…
Angewandte Chemie International Edition  Published: 06 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202516086

ゼオライト中の金属カチオン配置を精密制御する新手法(Controllable Distribution of Metal Cations in Zeolites)

Abstract

Anchoring divalent metal ions in the same zeolite framework with similar Si/Al ratio selectively as zeolite-bound M+2 or [M+2-OH]+1 cationic species enables critical comparison of the species’ intrinsic reactivity for industrially and fundamentally relevant reactions. H-BEA zeolites with similar Si/Al ratios but differing framework Al siting were used to anchored multiple divalent metal cations (Ni, Pd, Pt, Cr, Cu) in the zeolite micropores. State-of-the-art infrared (IR) spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) measurements, including two-dimensional pulsed HYSCORE EPR, extended X-ray absorption fine structure (EXAFS), and density functional theory (DFT) calculations together provide unambiguous evidence for the selective formation of divalent metal cations as M+2/2Al species (for H-BEA prepared in the conventional hydroxide media), and [M+2OH]+1/1Al species for H-BEA prepared in HF. Solid-state proton-decoupled triple-quantum magic-angle spinning (3Q MAS) NMR measurements confirmed contrasting Al distributions in the two H-BEA zeolites, which led to a contrasting divalent cation speciation. The reactivities of the two cationic species were explored for catalytic and adsorptive applications in both organometallic homogeneous and heterogeneous catalysis. This work demonstrates their divergent reactivity in ethylene dimerization, ethylene oxidation (Wacker process), selective catalytic reduction (SCR) of NO, NO adsorption, and methane oxidation. Both M+2/2Al and [M+2OH]+1/1Al cations are both active for ethylene dimerization, but [M+2OH]+1/1Al species show higher reaction rates for each Pd, Ni, Pt. [M+2OH]+1/1Al is active for acetaldehyde formation in Wacker ethylene oxidation. A new active site for ethylene oligomerization is proposed that possesses a terminal OH group (Cr-OH) in Phillips catalysts evident by a nearly inactive isolated Cr+2/2Al species that contrast an active Cr─OH motif.

0501セラミックス及び無機化学製品
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました