ルテニウム原子を炭素材料に高密度固定することに成功 ―CO2を高選択的にギ酸へ変換、希少な貴金属を有効利用する触媒材料開発に期待―

2026-09-07 東北大学

東北大学、筑波大学、京都大学などの研究グループは、凝集しやすいルテニウム(Ru)を原子1個ずつ炭素材料中に高密度で固定化した単原子触媒を開発した。Ruを含む前駆体の分子構造を精密に設計し、炭素化するボトムアップ合成法を用いることで、最大11重量%のRuを単原子状態で分散固定することに成功した。得られた触媒をCO₂の水素化反応に用いたところ、99%以上の高い選択率でギ酸を生成し、繰り返し使用してもRu原子の凝集が確認されず、安定した触媒性能を維持した。単原子触媒は、貴金属を原子レベルで効率的に利用できるため、希少資源の使用量削減と高性能触媒の両立が期待される。本研究の重要性は、Ruの高密度固定化だけでなく、前駆体の分子設計によって貴金属単原子を安定に配置する材料設計指針を示した点にある。今後、Ru以外の貴金属にも展開することで、CO₂資源化や水素化反応などへの応用が期待される。

ルテニウム原子を炭素材料に高密度固定することに成功 ―CO2を高選択的にギ酸へ変換、希少な貴金属を有効利用する触媒材料開発に期待―
図1.(a)本研究で前駆体として使用したRuターピリジル錯体。(b)ボトムアップ合成手法によりOCFが得られる様子。(c)得られたRu-OCFのHAADF-STEM像。

<関連情報>

ポリピリジル配位モチーフを前駆体とした、高密度ルテニウム単原子触媒に向けた秩序だった炭素骨格の構築 Polypyridyl Coordination Motifs as Precursors for Ordered Carbonaceous Frameworks Toward High-Density Ru Single-Atom Catalysts

Koki Chida, Tan-Hao Shi, Takeharu Yoshii, Yuichiro Hayasaka, Yu Gao, Hao Zhang, Nikolay Kosinov, Shigehisa Akine, Kazuhide Kamiya, Kaining Li, Yoshifumi Kondo, Yasutaka Kuwahara
Angewandte Chemie International Edition  Published: 03 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.6197340

ABSTRACT

Achieving high-density single-atom catalysts (SACs) remains a fundamental challenge, particularly for precious metals such as Ru that readily aggregate under synthetic and catalytic conditions. Here, we report a rational precursor design strategy for fabricating high-density Ru SACs via direct carbonization, yielding ordered carbonaceous frameworks (Ru-OCFs) with high Ru loadings of up to 11.0 wt%. By expanding the scope of precursors for OCF synthesis beyond conventional macrocyclic coordination motifs to coordinatively flexible polypyridyl ligands, we show that Ru-terpyridine crystals with thermally polymerizable ethynyl units serve as effective precursors for immobilizing single-atomic Ru species within three-dimensional porous carbon frameworks, without metal aggregation or post-synthetic treatments. The resulting Ru-OCFs retain the ordered structure and coordination environment of the precursor crystals while simultaneously developing microporosity with high specific surface areas of up to 670 m2 g−1. As a proof of concept, the high-density isolated Ru sites in Ru-OCFs enable enhanced catalytic activity in liquid-phase CO2 hydrogenation, achieving a high formic acid productivity of up to 19 mmol gcat−1 h−1, outperforming representative nanoparticle catalysts.

0505化学装置及び設備
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました