天然ガスのよりクリーンな燃焼を可能にする「マルチ元素」触媒

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(‘Swiss Army knife’ catalyst can make natural gas burn cleaner)

2021/1/11 アメリカ合衆国・イリノイ大学シカゴ校(UIC)

・ UIC、メリーランド大学やジョンズ・ホプキンズ大学等が、メタンと酸素の燃焼温度を低減する、遷移金属や貴金属を含む 10 種類の元素と酸素から構成される金属酸化物ナノ粒子触媒を開発。
・ 天然ガスは CO2 等の温室効果ガス排出量が比較的少ない最もクリーンな化石燃料源だが、高度な触媒によりその主要な構成要素であるメタンの燃焼温度を低下させることで、温室効果ガス排出量のさらなる削減が可能となる。
・ 各元素がメタンの燃焼温度を低下させる機能を備えた同新触媒は、約 1400K から 600~700K へとメタンの燃焼温度をほぼ半減させる。
・ 過去の研究で高エントロピー合金として知られる多種類元素ナノ粒子触媒の衝撃波手法による作製を実証しているが、各元素の原子同士が離れやすく効果が薄れるため、それまでは 3 種類以上の元素によるナノ粒子の作製の試みはなされていなかった。
・ UIC のリアルタイム・高温度電子顕微鏡システムにより、高エントロピーナノ粒子が最高 1073K でも高安定性を維持し、個々の元素が各ナノ粒子に均一に分散して安定した単一結晶構造を形成すること確認。原子半径、結晶構造や酸化還元電位がそれぞれに異なる多種類の元素の混合の固体状態での維持が可能であることを実証した。
・ 今回作製した多種類元素の合金の中でも、10 種類の元素から構成されるナノ粒子がメタンガスの燃焼点の低減で最も効果的であり、このような温度で極めて安定することを確認。各家庭や車輌等での天然ガス燃焼により排出される温室効果ガスの低減に同新触媒の利用が可能と考える。
URL: https://today.uic.edu/swiss-army-knife-catalyst-can-make-natural-gas-burn-cleaner

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Catalysis 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Denary oxide nanoparticles as highly stable catalysts for methane combustion
URL: https://www.nature.com/articles/s41929-020-00554-1

Abstract

Oxide nanoparticles with elemental and structural diversity are widely studied for catalysis and energy applications. While compositional control holds great promise for materials discovery, current oxide nanoparticles are typically limited to a few cations due to the intrinsic complexity in nanoscale multi-element mixing. Here we report the rational design and synthesis of single-phase multi-element oxide nanoparticles with tunable composition, size and structure. We have identified temperature-, oxidation- and entropy-driven synthesis strategies to mix a range of elements with largely dissimilar oxidation potentials (including palladium), thus greatly expanding the compositional space. Through rapid synthesis and screening, we obtained a denary multi-element oxide catalyst showing high performance and superior stability for catalytic methane combustion over 100 hours due to the high-entropy design and stabilization. Our work therefore provides a viable synthesis route with clear guidelines for multi-element oxide nanoparticles and enables materials design in the multi-element space towards highly stable catalysts.

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