ナノ材料ベースの触媒

ナノ材料ベースの触媒は通常、触媒プロセスを強化するために金属ナノ粒子に分解された不均一触媒です。金属ナノ粒子は表面積が大きいため、触媒活性を高めることができます。ナノ粒子触媒は簡単に分離してリサイクルできます。^{[1] [2] [3]} ナノ粒子の分解を防ぐために、通常は穏やかな条件下で使用されます。^[4]

官能基化された金属ナノ粒子は、官能基化されていない金属ナノ粒子と比較して、溶媒に対してより安定している。^{[5] [6]}液体中では、金属ナノ粒子はファンデルワールス力の影響を受ける可能性がある。粒子の凝集により表面積が減少し、触媒活性が低下することがある。^{[7]ナノ粒子は、}ポリマーまたはオリゴマーで官能基化され、ナノ粒子同士の相互作用を防ぐ保護層を提供することで、ナノ粒子を立体的に安定化させることもできる。^{[8] 2つの金属の} 合金は、バイメタルナノ粒子と呼ばれ、2つの金属間の触媒作用に相乗効果を生み出すために使用される。^[9]

ナノ粒子触媒は、ポリ塩化ビフェニルなどのC-Cl結合の水素化分解に有効である。^{[5] [6]}もう一つの反応はハロゲン化芳香族アミンの水素化であり、これはディーゼル燃料だけでなく除草剤や殺虫剤の合成にも重要である。^[5]有機化学では、重水素によるC-Cl結合の水素化は、速度論的同位体効果を扱う実験で使用するために芳香環を選択的に標識するために使用される。 Builらは、ロジウムナノ粒子を生成するロジウム錯体を作成した。これらのナノ粒子は、芳香族化合物の脱ハロゲン化と、ベンゼンからシクロヘキサンへの水素化を触媒した。^{[6]ポリマー安定化ナノ粒子は、}シナマルデヒドとシトロネラール の水素化にも使用できる。^{[5] [7] [10] [9]} Yuらルテニウムナノ触媒は、従来の触媒と比較してシトロネラールの水素化においてより選択的であることがわかった。^[9]

金、コバルト、ニッケル、パラジウム、または白金の有機金属錯体をシランで還元すると、ヒドロシリル化反応を触媒する金属ナノ粒子が生成される。^[11] BINAP官能化パラジウムナノ粒子および金ナノ粒子は、温和な条件下でのスチレンのヒドロシリル化に使用されており、非ナノ粒子Pd-BINAP錯体よりも触媒活性が高く、より安定していることがわかった。^{[11] [12]} この反応は、2つの金属からなるナノ粒子によっても触媒される可能性がある。^{[5] [13]}

アジピン酸を形成する酸化反応は図3に示されており、コバルトナノ粒子によって触媒される。^[5]これはナイロン6,6ポリマーを製造するために工業規模で使用されている。金属ナノ粒子によって触媒される酸化反応の他の例としては、シクロオクタンの酸化、エチレンの酸化、グルコースの酸化などがある。^[5]

金属ナノ粒子は、オレフィンのヒドロホルミル化、^[5]ビタミンEの合成、ヘックカップリング反応、鈴木カップリング反応などのC-Cカップリング反応を触媒することができます。^[5]

パラジウムナノ粒子はヘックカップリング反応を効率的に触媒することがわかった。パラジウムナノ粒子上の配位子の電気陰性度が増加すると、触媒活性が増加することが判明した。 ^{[5] [14]}

化合物Pd ₂ (dba) _3はPd(0)の供給源であり、クロスカップリング反応を含む多くの反応に使用されるパラジウムの触媒活性源です。^{[4] Pd2(dba)3は}均一な触媒前駆体 であると考えられていましたが、最近の論文ではパラジウムナノ粒子が形成され、不均一な触媒前駆体になることが示唆されています。^[4]

酸化鉄やコバルトのナノ粒子をアルミナなどの様々な表面活性材料に塗布し、フィッシャー・トロプシュ法を用いて一酸化炭素や水素などのガスを液体炭化水素燃料に変換することができます。^{[15] [16]}

ナノ材料ベースの触媒に関する研究の多くは、燃料電池の触媒コーティングの有効性を最大限に高めることに関係しています。現在、この用途で最も一般的な触媒はプラチナですが、高価で希少であるため、他の金属をナノ粒子に縮小して触媒特性を最大限に高め、将来プラチナの効率的で経済的な代替品となることを期待して多くの研究が行われています。 バルクの金は非反応性であるにもかかわらず、 金ナノ粒子も触媒特性を示します。

イットリウム安定化ジルコニウムナノ粒子は、固体酸化物燃料電池の効率と信頼性を高めることがわかった。^{[17] [18]}ナノ材料ルテニウム/白金触媒は、水素貯蔵用の水素の精製を触媒するために使用できる可能性がある。^{[19]パラジウムナノ粒子は、}環境中の大気汚染を制御するために、COとNOの酸化を触媒するために有機金属リガンドで機能化することができる。^[17]カーボンナノチューブ担持触媒は、燃料電池のカソード触媒担体として使用でき、金属ナノ粒子はカーボンナノチューブの成長を触媒するために使用されている。^[17]カーボンナノチューブと組み合わせた白金-コバルト二金属ナノ粒子は、より安定した電流電極を生成するため、直接メタノール燃料電池の有望な候補である。^[17]

磁気化学では、ナノ粒子は医薬用の触媒担体として使用することができます。

従来の触媒作用に加えて、天然酵素を模倣するためのナノ材料が研究されてきました。酵素模倣活性を持つナノ材料はナノザイムと呼ばれます。^[20]多くのナノ材料が、オキシダーゼ、ペルオキシダーゼ、カタラーゼ、SOD、ヌクレアーゼなどのさまざまな天然酵素を模倣するために使用されてきました。ナノザイムは、バイオセンシングやバイオイメージングから治療や水処理まで、多くの分野で幅広い用途が見出されています。

ナノ触媒は、触媒が効率に大きく影響する燃料電池や電解装置で広く注目されています。

燃料電池では、ナノ多孔性材料がカソードの製造に広く使用されています。白金の多孔質ナノ粒子はナノ触媒として優れた活性を示しますが、安定性が低く、寿命が短いです。^[21]

ナノ粒子の使用における欠点の1つは、凝集する傾向があることです。この問題は、適切な触媒担体を使用することで軽減できます。ナノ粒子は、特定の分子を検出するように調整できるため、ナノセンサーとして使用するのに最適な構造です。多層カーボンナノチューブ上に電着されたPdナノ粒子の例では、クロスカップリング反応の触媒として優れた活性が示されています。^[22]

ナノワイヤは製造が容易で、製造プロセスにおける特性の制御が非常に正確であるため、電気触媒用途に非常に興味深い。また、ナノワイヤは空間的な広がりによりファラデー効率を高め、活性表面での反応物の可用性を高めることができる。^[23]

電気触媒プロセスに関与するナノ構造は、さまざまな材料で構成できます。ナノ構造材料を使用することで、電気触媒は優れた物理的化学的安定性、高い活性、優れた導電性、低コストを実現できます。金属ナノ材料は、一般的に遷移金属 (主に鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、白金) で構成します。多金属ナノ材料は、各金属の特性により新しい特性を示します。利点は、活性、選択性、安定性の向上とコスト削減です。金属は、コアシェル二金属構造など、さまざまな方法で組み合わせることができます。最も安価な金属がコアを形成し、最も活性な金属 (通常は貴金属) がシェルを構成します。この設計を採用することで、希少で高価な金属の使用を 20% まで削減できます。^[24]

今後の課題の1つは、優れた活性と特に低コストを備えた新しい安定した材料を見つけることです。金属ガラス、ポリマー炭素窒化物（PCN）、金属有機構造体（MOF）から派生した材料は、現在研究が行われている電気触媒特性を持つ材料のほんの一例です。^{[25] [26] [27]}

多くの光触媒システムは貴金属との結合から恩恵を受けることができ、最初の藤島・本田セルでは共触媒プレートも使用されました。例えば、水分解用の分散型光触媒リアクターの基本設計は、分散相が金属共触媒と結合した半導体量子ドットで構成されている水ゾルです。QDは入射する電磁放射を励起子に変換し、共触媒は電子スカベンジャーとして機能し、電気化学反応の過電圧を低下させます。^[28]

機能化ナノ材料触媒の特性評価に使用できる技術には、X 線光電子分光法、透過型電子顕微鏡法、円二色性分光法、核磁気共鳴分光法、紫外可視分光法、および関連実験などがあります。

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• 参天製薬、ルトガー・アンソニー・バン。マシュー、ニューロック (2006)。分子不均一触媒作用: 概念的および計算的アプローチ([Online-Ausg.] 編)。ワインハイム: ワイリー-VCH。ISBN 978-3-527-29662-0。