成果報告書詳細
管理番号20160000000844
タイトル平成26年度―平成27年度成果報告書 新規希少金属プロジェクトのための事前検討/新規の(fcc)Ruナノ粒子及び元素間融合技術を用いた合金触媒による白金族金属の代替・削減可能性の検討
公開日2017/2/4
報告書年度2014 - 2015
委託先名株式会社フルヤ金属
プロジェクト番号P08023
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成26年度―平成27年度成果報告書 「新規希少金属プロジェクトのための事前検討/新規の(fcc)Ruナノ粒子及び元素間融合技術を用いた合金触媒による白金族金属の代替・削減可能性の検討」

貴金属を中心とした希少金属は、多くの分野で多岐に使用されており、今後もその使用量は増加する予測がなされている。そのため、希少金属は産業の拡大とともに供給不安に陥る可能性が高い。
 本研究では希少金属の使用量を低減すべく、新しい特性を持つナノ粒子・ナノ合金の量産化に向けた検討を実施した。現存する触媒から新規触媒への切り替わりには触媒性能そのものはもちろんのこと、触媒価格も重要な要素となりえるため生産スケールでのコスト試算もあわせて実施した。
調査項目(1)(4)
 量産時にボトルネックとなる精製手法に関しては、溶媒抽出法に似た方法を検討し、その技術を確立した。また、担体に直接合成吸着することで精製・洗浄を簡略化し、触媒製造時のコストを削減することに成功した。更に、(fcc)Ru、PdRu合金ナノ粒子どちらにおいてもナノ粒子径を制御することができ、各種分析や性能評価に対応できる量のナノ粒子・ナノ粒子担持触媒の合成方法を確立した。
 量産時の粒子径制御やPVPを含む不純物除去、分離精製技術に関しても試験を実施し、上記で開発した手法が量産に向けて有用であることを明らかにした。
調査項目(2)(3)
 水素添加反応による触媒評価に関しては、核水添反応が進行することを明らかとした。
 用途を開拓すべく燃料電池用と、排ガス浄化、クロスカップリング反応について検討を行った。燃料電池に関しては、PVPが不純物として残存すると性能が著しく低下する。不純物を除去したサンプルに関してはアノードへ使用することでリファレンスとして用いたPtナノ粒子に近い触媒活性を示した。カソードでは、Rhのモノメタルと同等のスペクトルを得たものの、Ptナノ粒子と比較すると劣っている。
 排ガス浄化触媒としてCO酸化触媒活性を調査し、Ru、Pdモノメタルよりも低温活性に優れ、代替を目指しているRhと比較しても高活性であることが明らかとなった。
 クロスカップリング反応に関しては極めて高い活性を示し、この反応で一般的なPd触媒と同等かそれ以上の活性を持つことが明らかとなった。
調査項目(5)
 触媒製造コストに関して、量産時を想定した試算を行った。Pd/CとPt/Cを比較対象として算出したが、PdRu/C及びfccRu/Cともに触媒の価格としては安価に販売することが可能であるとの算出結果となった。
以上の調査項目より、本シーズ技術の量産製造方法を確立した。またPdRuナノ粒子・PdRuナノ粒子担持触媒を量産化することは希少金属の使用量削減に大きく寄与することが明確となった。
英文要約Title: “Development Project of Energy Saving Materials Substituting Rare Metals / Feasibility Study for New Rare Metal Project / A study on Possibilities of Substitution and Reduction of Platinum Group Metals by Alloy Catalysts Using Novel (fcc)Ru Nano Particles and Fusion Technologies between Elements (FY 2014-2016) Final Report”

Abstract
Rare metals including platinum group metals are used in many fields and variety of sectors, in which its predicted usage is increased in the future. There is a high possibility of falling into unstable supply accompany with the expansion of the related industry.
We examined the possibility of mass-production of alloy nanoparticles having the effective characteristics for the used amount reduction in this work. In particular, the production cost of new catalyst was estimated in terms of the catalyst performance and its price.

Survey item(1)(4)
Concerning mass-production of alloy nanoparticles, it is difficult to establish the method of purification process by the improvement of the solvent extraction techniques.
The cost of a conventional method was reduced by simplifing the process of refining and cleaning due to the absorption of metal into supports directly.
In addition, a method for the synthesis of the nanoparticles enough to deal with various kinds of analysis and performance evaluations was established by controlling the nanoparticle size of (fcc) Ru and PdRu alloy nanoparticles.
The above developed method was revealed to be effective for mass-production by optimizing the process condition, specifically the control of nanoparticle size in mass-production scale, the removal of impurity including PVP (Polyvinylpyrrolidone) and other additional purification.

Survey item(2)(3)
In regard to catalyst evaluation of hydrogenation reaction, although it was confirmed the reaction proceeds, no result was obtained that the catalyst is better than the existing catalysts. We examine fuel cell, exhaust purification and cross-coupling reaction using a series of nanoparticles in order to explore application. Nanoparticles remaining PVP significantly was decreased the performance of fuel cell. In the fuel cell anode reaction, the catalyst removing PVP nearly completely show a high catalytic activity close to platinum nanoparticle used as a reference. On the other hand, in the fuel cell anode reaction, though these catalysts was indicated as high activity as rhodium nanoparticles, which are inferior to platinum nanoparticles.
We implemented CO oxidation reaction with nanoparticles as a catalyst for exhaust purification, which was confirmed that activation and selective levels of alloy nanoparticles are superior to several single metals (ruthenium, palladium and rhodium) at a low temperature (about 413K).
In addition, the evaluation result of cross coupling reaction using alloy nanoparticles shows to be equal to or higher than that of Palladium, which is commonly used in this reaction.

Survey item(5)
The calculation of PdRu/C and (fcc)Ru catalyst production cost in case of mass-production was computed and its price can be reduced to be reasonable level in comparison to both Pd/C and Pt/C.
The method of mass-production based on technology “seeds” was established from the above survey items. In addition, we revealed that it was for largely contributing to the reduction of the used amount of rare metals by the implementation of mass production of PdRu alloy nanoparticles and the supported catalyst.
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