環境材料研究グループでは、環境・資源・エネルギー問題の解決に貢献できるナノ触媒材料の合成や複合化、分光学的手法を活用した触媒反応解析などの研究を行っています。自動車排ガス浄化触媒を代表とする環境浄化触媒材料の高性能化・高機能化を目指しています。

1.希少元素をなるべく使用しない排出ガス浄化触媒の開発
 自動車などのエンジンから排出されるガスには、炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)などの人体や環境に有害な物質が含まれています。これら有害な物質を無害な窒素や水、二酸化炭素に浄化するために、市販されているすべての自動車には「排出ガス浄化触媒」が搭載されています。排出ガス浄化触媒は、高効率(ほぼ100%)で有害物質を浄化することが必要であるため、活性が高いものの、希少性の高い白金やパラジウム、ロジウムなどの貴金属が多く使われています。世界的な環境改善に対する意識向上のため、これら希少元素の使用量が年々増加してきており、価格の高騰や資源の枯渇化などの問題が懸念されています。環境材料研究グループでは、ナノレベルでの触媒活性種の構造特性(粒子径、結晶構造、活性種−担体相互作用など)を解明し、高性能(高活性・省希少元素)な排出ガス浄化触媒の開発を目指しています。
(KW: ガソリン自動車用三元触媒およびディーゼル酸化触媒の省貴金属化・高活性化)




2.窒素酸化物(NOx)浄化触媒の開発
 窒素酸化物(NOx)は呼吸器疾患など人体に悪影響を及ぼすだけでなく、酸性雨や光化学スモッグの原因になる環境汚染物質です。自動車のエンジンやボイラーボイラーなどの燃焼器からは主に空気中の窒素が高温で酸化されることにより発生するサーマルNOxと呼ばれるものです。したがって、燃料を空気で燃焼させる場合、NOxは必ず発生します。現在、燃焼器から発生するNOxは触媒によって無害な窒素へと還元されています。例えば、ボイラー等の固定発生源ではアンモニアを還元剤に利用する選択還元法やガソリン自動車では三元触媒法、ディーゼル車での尿素還元剤法などが実用化されています。このようにNOxは還元剤によって還元する方法が一般的ですが、還元剤の供給法など未だに多くの問題を抱えています。環境材料研究グループでは、還元剤を使わない理想的なNOx除去方法であるNO直接分解に活性を示す触媒の開発を行ってきています。これまでの知見から、NOx種の吸着点構造を最適化することによりNO直接分解活性が向上できるものと考え、種々の希土類酸化物にバリウムを分散担持した触媒を調製し、NO種の吸着点となる表面塩基点とNO分解活性との相関性を詳細に検討しています。
 また、実用化が期待されている炭化水素や一酸化炭素などの燃料由来の還元剤を利用したNO選択還元触媒の開発研究も実施しています。これまで一酸化炭素によるNO選択還元においては、イリジウムを活性種とする高活性な触媒の開発に成功しています。また、炭化水素還元剤によるNO選択還元では、酸化物をベースにした触媒開発を行っており、最近ではアルミナに酸化スズナノ粒子を分散担持した触媒が本反応に有効であることを見出しています。
(KW: NO直接分解触媒、炭化水素によるNO選択還元、一酸化炭素によるNO選択還元、ナノ粒子酸化物触媒

3.in situ分光法による触媒反応解析
 触媒反応は、触媒粒子表面での吸着・反応・脱離を経て進行します。したがって、触媒反応機構を解明するためには、反応集に触媒表面で生成・反応する吸着種を直接観察することが重要です。環境材料研究グループでは、その場(in situ)観察セル(透過型、拡散反射型)を備えた赤外吸収分光装置を活用して吸着種の動的挙動を観察しています。また、in situセルに接続された質量分析計により、反応生成物を同時に観測することで(operando解析)、吸着種と生成物の挙動から反応機構の効果を行っています。
(KW: in situ FT-IR、NO直接分解、三元触媒反応、炭化水素酸化反応、反応機構)


(NO直接分解反応のin situ反応解析のイメージ図)


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 先進セラミックス研究センター