東京工業大学の科学者らは、サブナノスケールの酸化銅粒子がナノスケールの粒子よりも強力な触媒であることを示した。これらのサブナノ粒子は、現在産業で使用されている触媒よりもはるかに効果的に芳香族炭化水素の酸化反応を触媒することもできます。この研究は、研究と産業の両方にとって重要な材料である芳香族炭化水素をより良く、より効率的に利用する道を開くものです。

炭化水素の選択的酸化は多くの化学反応や工業プロセスにおいて重要であるため、科学者はこの酸化をより効率的に実行する方法を模索してきました。酸化銅 (CunOx) ナノ粒子は芳香族炭化水素を処理するための触媒として有用であることがわかっていますが、さらに効果的な化合物の探索は続けられています。

最近、科学者たちはサブナノレベルの粒子で構成される貴金属ベースの触媒を応用しました。このレベルでは、粒子の寸法はナノメートル未満であり、適切な基板上に配置すると、ナノ粒子触媒よりもさらに大きな表面積を提供して反応性を促進することができます。

この傾向において、東京工業大学（東工大）の山本公久教授と田辺誠博士を含む科学者チームは、芳香族炭化水素の酸化におけるその性能を評価するために、CunOxサブナノ粒子（SNP）によって触媒される化学反応を調査した。3 つの特定のサイズ (12、28、および 60 個の銅原子を含む) の CunOx SNP が、デンドリマーと呼ばれる樹状のフレームワーク内で生成されました。ジルコニア基板上に担持されたそれらは、芳香族ベンゼン環を有する有機化合物の好気酸化に適用されました。

X 線光電子分光法 (XPS) と赤外分光法 (IR) を使用して合成された SNP の構造を分析し、結果は密度汎関数理論 (DFT) 計算によって裏付けられました。

XPS 分析と DFT 計算により、SNP サイズが減少するにつれて銅-酸素 (Cu-O) 結合のイオン性が増加することが明らかになりました。この結合分極はバルクの Cu-O 結合で見られるものよりも大きく、より大きな分極が CunOx SNP の触媒活性の強化の原因でした。

田辺氏とチームメンバーは、CunOx SNP が芳香環に結合した CH3 基の酸化を加速し、それによって生成物の形成を引き起こすことを観察しました。CunOx SNP 触媒を使用しない場合、生成物は生成されませんでした。CunOx SNP が最小の触媒である Cu12Ox は、最高の触媒性能を持ち、最も長持ちすることが証明されました。

田辺氏が説明するように、「CunOx SNP のサイズが小さくなり、Cu-O 結合のイオン性が強化されることで、芳香族炭化水素の酸化に対する触媒活性が向上します。」

彼らの研究は、酸化銅 SNP を産業用途で触媒として使用する大きな可能性があるという主張を裏付けています。「これらのサイズ制御された合成 CunOx SNP の触媒性能とメカニズムは、現在産業界で最も一般的に使用されている貴金属触媒よりも優れているでしょう」と山本氏は述べ、CunOx SNP が将来達成できることを示唆しています。

資料提供：東京工業大学注: コンテンツはスタイルや長さのために編集される場合があります。

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