(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
担体表面を想定した原子集団（Ａ）に触媒成分（Ｂ）を近づけた仮想モデルを決定する手段、有効共有結合電荷を結合強度の指標として前記決定された仮想モデルにおける原子集団（Ａ）と前記触媒成分（Ｂ）の間の結合強度を算出する手段、及び前記算出された結合強度に基づいて前記原子集団（Ａ）に対する前記触媒成分（Ｂ）の位置を予測する手段、を含むことを特徴とする触媒構造の予測方法。
【請求項２】
前記触媒成分（Ｂ）を前記原子集団（Ａ）の対称軸にそって近づける請求項１に記載の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最適な触媒構造を設計する方法、より詳しくは、担体表面を想定した原子集団に対する触媒成分の位置を求めることにより最適な触媒構造を設計する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定の化学反応を促進することを目的とした触媒は、一般に、担体上に触媒成分を担持して構成される。
例えば、自動車用エンジン等の内燃機関の排気ガス浄化用触媒は、排気ガスに含まれる一酸化炭素(ＣＯ)、炭化水素(ＨＣ)、窒素酸化物(ＮＯX)の浄化反応を目的とし、アルミナ、ジルコニア、ジルコニア-セリア複合酸化物等の担体に、白金(Ｐｔ)、金(Ａｕ)、パラジウム(Ｐｄ)、ルテニウム(Ｒｕ)、ロジウム(Ｒｈ)等の触媒成分を担持して構成される。
【０００３】
このような触媒を開発・改良するには、目的とする化学反応に対して可能性があると予想される触媒構造をスクリーニングし、それらの触媒構造の触媒作用を実験的に確認する手法が一般的である。
しかし、こうした触媒構造のスクリーニングは、多くは経験に基づくため、一般に予測効率が低く、実際には、極めて長期間で多大の労力を必要とする膨大な実験的試行錯誤を経た後に触媒構造が決定されるのが通常である。
【０００４】
一方、触媒成分が担持される担体は、一般に、触媒成分、触媒が使用される雰囲気・温度等によって選択されるが、担体が触媒作用に大きく影響することも経験的に知られている。
したがって、本来は、担体を含めた最適な触媒構造を検討の対象とすべきであるが、実験的試行錯誤による方法では、必要とされる労力がさらに多大なものとなる。
【０００５】
ところで、計算により触媒構造の設計を行う先行技術としては、例えば、特開平１０−２１８９２４号公報が挙げられる。この公報に記載の計算は、触媒成分に含まれる原子の位置を可変因子とした動的計算を行い、触媒成分の全エネルギーを算出する手法に基づいている。
【０００６】
しかしながら、この先行技術においては、特定の触媒成分の最安定構造が、量子力学又は分子運動学に基づいて計算されているものの、担体と触媒成分を含む触媒構造についての量子力学に基づく計算はなされていない。
また、かかる動的計算をＰｔ、Ａｕ等の原子番号の大きい原子に適用するためには、現状では、信頼性のある計算に必要な量子力学的パラメータを入手することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、計算手法による触媒構造の予測精度を一層高めるべく、担体と触媒成分の結合強度を量子力学に基づく計算によって求め、それによって、高い確度で最適な触媒構造を設計することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、担体表面を想定した原子集団（Ａ）に触媒成分（Ｂ）を近づけた仮想モデルを決定する手段、有効共有結合電荷を結合強度の指標として前記決定された仮想モデルにおける原子集団（Ａ）と前記触媒成分（Ｂ）の間の結合強度を算出する手段、及び前記算出された結合強度に基づいて前記原子集団（Ａ）に対する前記触媒成分（Ｂ）の位置を予測する手段、を含むことを特徴とする触媒構造の予測方法によって達成される。
【０００９】
即ち、本発明の方法では、担体モデルとして原子集団を想定し、この原子集団と、触媒成分の原子又は触媒成分の集合した原子集団との結合強度を算出することを主要な手段として用いる。
この結合強度の算出において、量子力学に基づく波動関数を用いる本発明の計算は、担体モデルの原子集団については現実の格子定数をパラメータとして使用することができる静的計算であり、担体表面と触媒成分との距離を可変因子とすることができる。
【００１０】
このような担体モデルの原子集団と触媒成分を想定し、担体の原子集団の表面に触媒成分が近づくことを想定したモデルは、実際の触媒成分担持の事象に極めて近いモデルと考えられ、したがって、本発明の方法は、担体に触媒成分が担持された状態の触媒構造を精密に予測することができるものと考えられる。
【００１１】
この本発明の方法によって予測された触媒構造は、目的とする化学反応に対して最適な触媒構造を開発・改良するための基礎として利用することができる。
例えば、各種の触媒成分と各種の担体からなる触媒構造を本発明の方法によって予測し、次に、各々の触媒構造と、対象とする反応成分との反応系を想定し、各々の反応系における反応成分の結合強度を、同様にして、量子力学計算によって求め、それによって、反応成分の各触媒構造における吸脱着能を評価することができる。
【００１２】
また、触媒成分に各種の触媒成分を付加した触媒構造と反応成分との反応系を想定し、同様に、量子力学計算によって反応成分の結合強度を求め、反応成分の各触媒構造における吸脱着能を評価することができる。
また、担体に各種の担体成分を付加した触媒構造と反応成分との反応系を想定し、同様にして、量子力学計算によって反応成分の結合強度を求め、反応成分の各触媒構造における吸脱着能を評価することができる。
【００１３】
そして、得られた様々な想定された触媒構造に対する反応成分の吸脱着能を、例えば、吸着能が向上するものを反応が促進される触媒構造、脱着能が向上するものを触媒毒が抑制される触媒構造と予測し、これらの予測を定量的に行うことができる。
【００１４】
このように、本発明の方法は、本来、触媒設計において検討の対象として含めるべき担体を、計算の対象として触媒構造に含め、それによって現実の触媒をモデル化し、そのモデル化した触媒を新たな触媒の開発・改良の基礎とすることを可能にするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の触媒構造の設計方法において、担体は、担体表面を想定した原子集団(Ａ)とする。この集団の原子の数は、複数の原子の作用を考慮するにおいて特に具体的に規定する必要はないが、原子の数が増加するにしたがって増加原子の影響は少なくなるため、過度に数多くするのは得策ではない。一般には、数１０以上で１００以下の原子数が適切である。
また、集団を形成する複数の原子は、一般に、その原子で実際に観察される結晶格子を、想定する担体表面が平面を形成するようにして、軸対称に配置するのが適切である。
【００１６】
本発明の触媒構造の設計方法は、このようにして想定した原子集団(Ａ)に、目的とする触媒成分(Ｂ)の原子もしくは集合した原子集団を近づけた仮想モデルを決定する手段を適用する。
【００１７】
ここで、計算の対象とする触媒成分は、本発明の方法においては、原子番号の大きい原子も計算の対象とすることができるため、任意に選択することができる。
この触媒成分(Ｂ)を原子集団(Ａ)に近づける仕方は、限定されるものではないが、想定した担体表面に、原子集団(Ａ)の対称軸にそって原子集団(Ａ)の中心原子の真上に近づけるのが好ましい態様の１つであり、また、複数の原子から構成される触媒成分(Ｂ)の場合は、触媒成分(Ｂ)の原子集団の対称軸が原子集団(Ａ)の対称軸と共通するように触媒成分(Ｂ)の原子集団を配置し、同様に、対称軸にそって原子集団(Ａ)の中心原子の真上に仕方が好ましい態様の１つである。
【００１８】
本発明の触媒構造の設計方法は、このような原子集団(Ａ)に反応成分(Ｂ)を近づけた仮想モデルに、原子集団(Ａ)と反応成分(Ｂ)の間の結合強度を算出する手段を適用する。
この結合強度の算出手段としては、例えば、ＬＣＡＯ近似法を用いることができ、原子集団(Ａ)と反応成分(Ｂ)が共有する電子の数、即ち、有効共有結合電荷を結合強度の指数とすることができる。
【００１９】
具体的には、例えば、ＤＶ-Ｘα法による分子軌道計算によって有効共有結合電荷を求める計算を、原子集団(Ａ)と触媒成分(Ｂ)に適用し、個々の原子についての共有電子数の線形和を、原子集団(Ａ)と触媒成分(Ｂ)の有効共有結合電荷とする。
そして、この有効共有結合電荷が最も高い位置を、最も結合強度が高い位置とし、担体の原子集団(Ａ)に対する触媒成分(Ｂ)の位置と予測することができる。
【００２０】
この予測により、ある担体に対するある触媒成分の位置が把握されるが、次に、この予測方法を各種の担体と各種の触媒成分に適用することにより、様々な触媒構造を予測することができる。
例えば、次に、このようにして予測された各触媒構造について、反応成分(Ｃ)との反応系を想定し、各触媒構造の触媒成分(Ｂ)と反応成分(Ｃ)の結合強度を、同様に、ＬＣＡＯ近似法を用いて有効共有結合電荷を指標として求めることができる。
【００２１】
さらに、この予測方法を、各種の担体に別な担体成分が付加された各種の担体や、各種の触媒成分に別な触媒成分が付加された各種の触媒成分に適用することにより、種々の数多くの触媒構造を予測することができ、同様に、このようにして予測された各種の触媒構造について、反応成分(Ｃ)との反応系を想定し、各種の触媒構造の触媒成分(Ｂ)と反応成分(Ｃ)の結合強度を、ＬＣＡＯ近似法を用いて有効共有結合電荷を指標として求めることができる。
【００２２】
反応成分としては、例えば、モデル触媒が自動車の排気ガス浄化用触媒であれば、浄化反応が促進されるべきＮＯx、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ等を選択することができ、あるいは、触媒毒が問題とされているＳＯxを選択することができる。また、燃料電池の電極触媒をモデル触媒としたならば、この反応分子は、反応が促進されるべきＨ2、ＣＨ4等を選択することができ、あるいは、触媒毒が問題とされているＣＯを選択することができる。
【００２３】
そして、各触媒構造の触媒成分と反応成分について求められた結合強度に基づいて反応成分の各触媒構造における吸脱着能を評価し、吸着能が向上するものを反応が促進される触媒構造、脱着能が向上するものを触媒毒が抑制される触媒構造と予測し、これらの予測を定量的に行うことで、担体を含めた触媒構造の確度の高い開発・改良の設計に供することができる。
【００２４】
【実施例】
担体をルチル型のチタニアＴｉＯ2とし、触媒成分を白金Ｐｔとして、ＴｉＯ2上でのＰｔの位置を予測するための計算を行った。
基本となる原子配列としてＴｉＯ2単位格子を用意し、その単位格子を(ｘ,ｙ,ｚ)方向のそれぞれに拡張した原子集団から、担体表面としての(００１)面を切り出した。
【００２５】
次に、図１(ａ)に示すように、担体表面を形成するＴｉＯ2のＯ原子の上にＰｔ原子を配置した。ここで、Ｐｔ-Ｏ距離は、予めの量子力学計算により１.９５Åとした。
【００２６】
次に、予測に必要な範囲まで原子数を絞り込むため、Ｐｔ原子を中心として第３近接以内の原子で距離の近いものから順に原子を取捨選択し、図１(ａ)に示すように、Ｐｔ原子から６Å以内の２９個のＰｔ原子から担体の原子集団を構成した。
このようにして構成した原子集団について、ＤＶ-Ｘα法による分子軌道計算を行い、各原子集団についてＰｔ原子と最近接Ｏ原子との間の有効共有結合電荷を計算した。
【００２７】
同様にして、図１(ｂ)に示すような、ＴｉＯ2の２つのＯ原子の中間の上にＰｔ原子を配置した系、及び図１(ｃ)に示すような、ＴｉＯ2の２つのＴｉ原子の中間の上にＰｔ原子を配置した系について、Ｐｔ原子と最近接Ｏ原子、Ｐｔ原子と最近接Ｔｉ原子との間の有効共有結合電荷をそれぞれ計算した。
【００２８】
この結果を図２にまとめて示す。ここでの有効共有結合電荷とは、任意の原子間のオーバーラップを表し、共有結合性と金属結合性の双方に関する指数であり、この値が小さいことは結合強度が小さいことを意味する。
図２に示す結果から、ＴｉＯ2上におけるＰｔの位置は、有効共有結合電荷の最も高いＯ原子の上と予測される。
【００２９】
なお、この予測の妥当性を実験的に直接確認することはできないが、Ｘ線光電子分光分析(ＸＰＳ)からは、次のように間接的に妥当性が確認されている。
実際に担体としてのＴｉＯ2上に担持されたＰｔの、ＸＰＳによって測定される４ｆ軌道電子の結合エネルギーは７１.８ｅＶであり、一方、図１(ａ)の最安定位置における波動関数からの４ｆ軌道電子の結合エネルギーは７１.２ｅＶであり、両者はほぼ一致している。
【００３０】
このことは、実際にＴｉＯ2上に担持されたＰｔの結合状態、即ち、Ｐｔ原子の周囲の環境が、計算モデルと同等であることを示しており、本発明による予測方法の妥当性を裏付けているものと考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
原子集団の担体と触媒成分との結合強度を量子力学計算に基づいて精密計算することで、高い確度で最適な触媒構造を設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いたモデル触媒の模式図である。
【図２】本発明の方法による計算結果を示すグラフである。
【図１】
0003972617.tif 000002
【図２】
0003972617.tif 000003