高性能なハイエントロピーランタノイド酸化物触媒を開発 ー従来より低温で安定したメタン酸化カップリング反応を実現ー

2026-10-08 東京科学大学

東京科学大学と東京大学の研究チームは、5種類以上のランタノイド元素を組み合わせた「ハイエントロピー酸化物」を用い、メタンからエタン・エチレンを合成する酸化カップリング反応において、低温活性と長時間安定性を両立する触媒を開発した。従来の触媒では約800℃の高温が必要で、生成物が二酸化炭素まで過剰酸化されることや、反応中に触媒活性が低下することが課題だった。研究チームは独自のゾル-ゲル法でナノ粒子触媒を合成し、ランタノイド元素の組み合わせによって表面の塩基性を調整した。その結果、従来の単一元素酸化物より低い525℃から反応活性を示し、600℃での試験ではエタン・エチレンの収率を240時間維持した。元素の平均イオン半径を調整して適切な強さの塩基点を形成するとともに、ハイエントロピー効果によって活性点が安定化することが、性能向上の要因と考えられる。本成果は、天然ガスなどのメタン資源から基礎化学品を効率よく製造する触媒設計の新たな指針となる。

高性能なハイエントロピーランタノイド酸化物触媒を開発 ー従来より低温で安定したメタン酸化カップリング反応を実現ー
図1. ハイエントロピー酸化物ナノ粒子触媒によるメタン酸化カップリング反応。

<関連情報>

メタンの酸化的カップリングのための高エントロピーランタノイド酸化物触媒 High-Entropy Lanthanoid Oxide Catalysts for Oxidative Coupling of Methane

Rena Takahashi;Keiju Wachi;Keigo Kamata
Journal of the American Chemical Society  Published:October 08, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c15276

Abstract

High-entropy engineering of metal oxides provides a powerful platform for developing highly active and structurally robust catalysts; however, its application to heterogenous catalysis that requires stringent selectivity control remains largely unexplored. The low-temperature oxidative coupling of methane (OCM) demands catalysts that combine structural stability with precise tuning of surface basic strength. Here, we report a high-entropy lanthanoid oxide catalyst, (LaSmEuGdDy)0.4O3, synthesized via a sol–gel method using lanthanoid acetates and aspartic acid. The catalyst afforded ethylene and ethane in ∼12.3% total yield at temperatures less than 600 °C and maintained its catalytic activity for 240 h at 600 °C. Comparative studies with single-component lanthanoid oxides revealed that the high-entropy catalyst lowers the OCM onset temperature and markedly enhances catalyst durability. CO2 temperature-programmed desorption demonstrated that the surface basic strength of the high-entropy oxide can be systematically controlled through the average ionic radius, promoting the formation of moderately basic sites essential for low-temperature C–H activation. X-ray diffraction and photoelectron spectroscopy further showed that C-type rare-earth oxides exhibit superior resistance to transformation into less-active Ln2O2CO3 compared with A-type oxides and that the high-entropy configuration mitigates the progressive depletion of surface basic strength during prolonged OCM operation. These findings establish high-entropy design as an effective strategy for simultaneously controlling structural stability and surface functionality, opening new opportunities for selective heterogeneous catalysis.

0502有機化学製品
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