高性能Au/Ce-Laナノロッド触媒：低温CO酸化の合成、キャラクタリゼーション、メカニズム洞察

概要

水熱法でLa含有量変化（Ce:La比 1:0、3:1、1:1、1:3、0:1）させた1次元Ce-Laナノロッド合成。修正沈殿沈着法でAu担持しAu/Ce-Laナノロッド触媒作製。包括的キャラクタリゼーション（BET、ICP、XRD、SEM、TEM、EDX、XPS、UV-vis DRS、H₂-TPR）でLaがロッド内LaO_xとして存在、全組成でロッド形態維持確認。触媒試験で3:1 Ce/La比（Ce_0.75-La_0.25）が最活性：1.0wt%Au/Ce_0.75-La_0.25（300℃焼成）が30℃で完全CO転換達成、200℃まで安定保持。

背景

一酸化炭素（CO）はヘモグロビンに不可逆結合する強力呼吸毒、室内空気・自動車排ガス中存在で深刻健康リスク。触媒CO酸化が最有効対策、特に汚染制御デバイス、室内空気清浄機、COセンサー等低温用途で重要。

担持金触媒はセリア（CeO₂)独自還元性とAu多価数存在能力で低温CO酸化有望候補。Au/酸化物系触媒活性は粒子サイズ、金属-担体相互作用、担体還元性に強く依存。

セリアCe⁴⁺/Ce³⁺酸化還元で高酸素貯蔵能、理想的担体。遷移金属ドーパント（La等）でセリア強化し表面欠陥、酸素空孔濃度、金属-担体相互作用改善、触媒性能向上可能。

実験

担体調製

Ce-Laナノロッド水熱合成：NaOH（9M）とLn(NO₃)₃（Ln=Ce、La、0.8M）混合、室温30分撹拌、テフロンラインオートクレーブ移し110℃14時間加熱、空冷、洗浄、80℃乾燥、400℃焼成（5℃/min）。La含有量0-100at.%でCe、Ce_0.75-La_0.25、Ce_0.5-La_0.5、Ce_0.25-La_0.75、Laナノロッド表記。

触媒調製

Au/Ce-La触媒沈殿沈着法：担体（100mL脱イオン水）に0.01M HAuCl₄（pH≈7）混合、12時間撹拌、100℃4時間リフラックス、遠心分離、洗浄、80℃乾燥。Au担持量wt%表記、ICP-AES確認。

キャラクタリゼーション手法

BET比表面積N₂吸着（-196℃）測定。XRD（Rigaku D/Max-2500、λ=0.154nm）でCeO₂輝石構造と高La負担時La₂O₃或La(OH)₃存在確認。TEM/HRTEMでロッド形態（直径5-10nm、長さ100-300nm）とサブナノメートルAuクラスター確認。XPS（Kratos Axis Ultra）でCe⁴⁺、La³⁺、Au^δ+（300℃焼成で優勢）同定。UV-vis DRSで表面プラズモン共鳴バンド（500-600nm）検出、Auナノ粒子起因。H₂-TPR（PX200）でAu担持試料還元温度低下、酸素移動性向上示唆。

結果と考察

構造と表面特性

BETで純CeO₂ナノロッド99.7m²/g、3:1 Ce/Laで74.1m²/g、更高Laで減少。メソポーラス性（H3ヒステリシス）全試料保持、Ce_0.75-La_0.25細孔体積約0.23cm³/g。

Au分散と酸化状態

Au担持量沈殿損失で公称値下回るが、TEMで全担体上高分散Auサブナノメートルクラスター（<1nm）確認。XPSで300℃焼成触媒は主にAu^δ+種、400℃焼成で主に金属Au⁰生成、焼結で活性低下相関。

還元性

純CeO₂表面還元ピーク~410℃、バルク~620℃。Laドープ試料表面還元ピーク~520℃へシフト、Ce-O-La相互作用強化示唆。Au担持で低温還元特徴（~200℃）出現、Au^δ+還元と酸素スピルオーバー促進起因。

CO酸化活性

Au/Ce_0.75-La_0.25（1.0%Au）が30℃で100%CO転換達成、全組成中最高。25at.%超La増加で活性低下、還元性酸素サイト減少起因。低Au担持（0.5%）でも50℃完全転換、Au粒子サイズ（<5nm）と酸化状態重要性示す。300℃焼成最活性、300℃超で粒子成長・性能低下。

安定性

70℃、40℃連続運転試験で10時間100%、60%CO転換維持、失活なし。200℃で0.3%Au/Ce_0.75-La_0.25が50時間100%転換保持、優れた耐熱性と焼結耐性実証。

結論

シンプル水熱法合成Ce-Laナノロッドは全La含有量でロッド形態維持。LaO_xドープで担体還元性向上、高分散Au^δ+クラスター安定化、卓越低温CO酸化活性発現。1.0%Au/Ce_0.75-La_0.25触媒30℃完全CO→CO₂転換、200℃まで安定。1次元二元Ce-Laナノロッドが実用CO除去用貴金属触媒担体として大きな潜在性持つこと示す。