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May 13, 2023

動作温度が低いセラミックは、よりきれいな空気の呼吸に役立ちます

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自動車の排出ガス削減に関する議論の多くは電気自動車 (EV) に焦点を当てていますが、その販売台数は依然として低く、2021 年の日本での自動車購入に占める EV 車の割合はわずか 1% です。一方、欧州連合はより厳格な排出ガス規制を可決すると予想されています。近い将来の規格。 このため、ガソリン車またはディーゼル車の排気ガス浄化触媒の性能と機能を向上させることが、カーボンニュートラルを推進する上で重要な要素となっています。

ほぼすべてのガソリン車またはディーゼル車には、有害な炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物を除去し、窒素、二酸化炭素、水蒸気などのより安全なガスに変換する触媒コンバーターが装備されています。 有毒ガスは、排ガス浄化触媒でコーティングされたハニカム構造を通って流れます。

酸素貯蔵能力 (OSC) を持つセラミックは、精製プロセスにおいて重要な役割を果たします。 これらは、有害なガスを除去し、触媒コンバーター内の貴金属の浄化能力を低下させる粗大化を防ぐのに役立ちます。

ただし、その可能性を高めるには、動作温度を下げる必要があります。 しかし、温度を 500 ℃未満に下げるとイオンの拡散が遅くなるため、科学者たちはこれを達成するのに苦労しています。

今回、東北大学大学院工学研究科の研究グループは、結晶構造を制御することで400℃で優れたOSCを示すセリウム・ジルコニウム系（Ce-Zr）酸化物を開発した。 貴金属触媒を使用しない場合でも、400 ℃での OSC は従来の材料よりも 13.5 倍高かった。

研究グループのリーダーである高村仁教授は「成功の鍵は、鉄などの微量の遷移金属をCe-Zr系酸化物に導入したことだった」と語った。

「遷移金属ドーピング」は、酸化物に 2 つの注目すべき効果をもたらしました。 酸素欠損の形成を緩和することで酸素の拡散を加速し、カチオンの秩序化を促進しました。

「カチオンの秩序化により結晶構造が整えられ、酸素が容易に放出されます」と高村氏は説明した。

鉄のドーピングによりカチオンの秩序化温度が低下し、その結果、Ce-Zr ベースの酸化物の表面積を大きくすることが可能になりました。 これにより、耐久性と有毒ガスの浄化能力が向上しました。

将来的には、高村氏と彼のグループは、ハニカム支持体にパラジウムを充填して材料をテストしたいと考えています。

同グループの研究の詳細は、2022年9月27日にJournal of Materials Chemistry Aに掲載された。そして、この論文は同誌の表紙に選ばれた。

参考文献: 村上和也、菅原裕子、富田純子、石井明、及川一、高村博史。CeとFeの中間相を介したカチオン規則性Ce-Zr系酸化物の低温合成。 J Mater Chem A. 2022;10(40):21291-21299。 土井: 10.1039/D2TA05068D

この記事は以下の資料から転載したものです。 注: 資料は長さや内容が編集されている場合があります。 詳細については、引用元に問い合わせてください。