京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22466号 / 工博第4727号 / 新制||工||1738(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 / (主査)教授 田中 庸裕, 教授 陰山 洋, 教授 佐藤 徹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit synthetischen Ansätzen zur Verbesserung der Handhabung von Pd-Nanopartikeln in der heterogenen Umwelt- und Elektrokatalyse. Nanopartikuläres Pd an Magnetit sowie an Silica-Sphären mit Magnetit-Kern erreichten eine hohe Aktivität bei der Dechlorierung von Hexachlorbenzol. Im Gegensatz zu ungeträgerten Nanopartikeln gelang die Abtrennung jener mit einem Magnet aus der Reaktionslösung. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Shewanella oneidensis eine heterogene Keimbildung im mikrobiellen Herstellungsverfahren von Pd-Nanomaterialien vermittelte. Die Mikroorganismen waren vermutlich nicht aktiv am Elektronenübergang beteiligt. Die partiell aggregierten Produkte des mikrobiellen Verfahrens ließen sich zur Herstellung von Aerogelen durch Selbstassemblierung verwenden. Elektrodenfilme aus mikrobiell als auch chemisch synthetisiertem nanopartikulären Pd zeigten ähnliche Eigenschaften bei der elektrochemischen Oxidation von Methanol. Darüber hinaus ermöglichte die Anwendung der fraktalen Dimension strukturelle Veränderungen abhängig von Verfahrensparametern bei der Selbstassemblierung festzustellen.:Inhaltsverzeichnis i Abbildungsverzeichnis iii Tabellenverzeichnis v Einleitung 1 1. Grundlagen 5 1.1. Eigenbewegung von Nanopartikeln in Suspension 6 1.2. Die DLVO-Theorie der Stabilität von lyophoben Kolloiden 7 1.3. Aggregation und die fraktale Dimension 11 1.4. Lichtstreuung an Kolloiden 15 1.5. Transmissionselektronenmikroskopie 19 1.6. Röntgenpulverdiffraktometrie 24 2. Edelmetall-Nanopartikel 27 2.1. Synthese von Palladium-Nanopartikeln 30 2.1.1. Reduktion mit Natriumborhydrid 30 2.1.2. Reduktion mit Citrat und Dicarboxyaceton 31 2.1.3. Keimvermitteltes Wachstum 33 2.2. pH- und Temperatur-Stabilität der Suspensionen 35 2.3. Integration in Polymerbeschichtungen 37 2.4. Resümee 41 3. Mikrobiell hergestellte Pd-Nanostrukturen 43 3.1. Dissimilatorische Metall-Reduktion 44 3.2. Eigenschaften von mikrobiellem Pd 49 3.2.1. Herstellung und Präparation 49 3.2.2. Strukturelle Eigenschaften 51 3.2.3. Umsatz und chemische Zusammensetzung 56 3.2.4. Untersuchung der organischen Bestandteile 60 3.2.5. Eigenschaften der Suspensionen 64 3.3. Kontrollversuche zur mikrobiellen Herstellung 66 3.4. Dechlorierung von Hexachlorbenzol 69 3.5. Resümee 71 4. Palladium-Magnetit-Nanokatalysatoren 75 4.1. Synthese von Magnetit-Nanopartikeln 78 4.2. Kombination von Magnetit- und Pd-Nanopartikeln 81 4.3. Abscheidung von Pd an Magnetit 84 4.4. Zwischenfazit 85 4.5. Oberflächen-modifizierte Pd-Magnetit-Komposite 86 4.6. Dechlorierung von Hexachlorbenzol 89 4.7. Resümee 91 5. Selbstassemblierung von Edelmetallnanopartikeln 93 5.1. Verfahren zur Herstellung von Pd-Hydrogelen 96 5.1.1. Variation der Verfahrensparameter 97 5.1.2. Einfluss von Temperatur und Anreicherungsfaktor 99 5.2. Aerogel-Monolithe 103 5.3. Netzwerkstrukuren aus mikrobiellem Pd 105 5.4. Elektrochemische Oxidation von Methanol 106 5.5. Resümee 111 Zusammenfassung und Ausblick 113 A. Terminologie zu Kolloiden, Aggregaten, Gelen & Co. 115 B. Experimentelle Methoden 117 B.1. Synthesevorschriften 118 B.2. Charakterisierungsmethoden 128 B.3. Elektrochemische Untersuchungen an Aerogel-Elektroden 132 Literaturverzeichnis 135 / The present work deals with synthetic approaches for the implementation of Pd-based materials in environmental and electrocatalysis. Nanoparticles of Pd either coupled to magnetite or to silica-spheres with a magnetic core showed a high activity in the dechlorination of hexachlorbenzene similar to unsupported nanoparticles. However, in contrast to unsupported nanoparticles they could be separated from the reaction solution by a magnet. Structural and chemical properties of Pd nanomaterials from a microbial synthesis were comparatively investigated. The results lead to the conclusion that the Shewanella oneidensis were not actively involved into the electron transfer and the microorganisms acted more as a substrate for heterogeneous seeding. Partially nanostructured Pd-aggregates from the microbial synthesis were further subjected to self-assembly to form noble metal aerogels. Electrode films made of both microbially and synthetically produced Pd aerogels showed similar structural and electrochemical properties in the electrooxidation of methanol. Finally, the fractal dimension was implemented as a parameter allowing to monitor the evolution of both aerogel structure and its density during the process of selfassembly.:Inhaltsverzeichnis i Abbildungsverzeichnis iii Tabellenverzeichnis v Einleitung 1 1. Grundlagen 5 1.1. Eigenbewegung von Nanopartikeln in Suspension 6 1.2. Die DLVO-Theorie der Stabilität von lyophoben Kolloiden 7 1.3. Aggregation und die fraktale Dimension 11 1.4. Lichtstreuung an Kolloiden 15 1.5. Transmissionselektronenmikroskopie 19 1.6. Röntgenpulverdiffraktometrie 24 2. Edelmetall-Nanopartikel 27 2.1. Synthese von Palladium-Nanopartikeln 30 2.1.1. Reduktion mit Natriumborhydrid 30 2.1.2. Reduktion mit Citrat und Dicarboxyaceton 31 2.1.3. Keimvermitteltes Wachstum 33 2.2. pH- und Temperatur-Stabilität der Suspensionen 35 2.3. Integration in Polymerbeschichtungen 37 2.4. Resümee 41 3. Mikrobiell hergestellte Pd-Nanostrukturen 43 3.1. Dissimilatorische Metall-Reduktion 44 3.2. Eigenschaften von mikrobiellem Pd 49 3.2.1. Herstellung und Präparation 49 3.2.2. Strukturelle Eigenschaften 51 3.2.3. Umsatz und chemische Zusammensetzung 56 3.2.4. Untersuchung der organischen Bestandteile 60 3.2.5. Eigenschaften der Suspensionen 64 3.3. Kontrollversuche zur mikrobiellen Herstellung 66 3.4. Dechlorierung von Hexachlorbenzol 69 3.5. Resümee 71 4. Palladium-Magnetit-Nanokatalysatoren 75 4.1. Synthese von Magnetit-Nanopartikeln 78 4.2. Kombination von Magnetit- und Pd-Nanopartikeln 81 4.3. Abscheidung von Pd an Magnetit 84 4.4. Zwischenfazit 85 4.5. Oberflächen-modifizierte Pd-Magnetit-Komposite 86 4.6. Dechlorierung von Hexachlorbenzol 89 4.7. Resümee 91 5. Selbstassemblierung von Edelmetallnanopartikeln 93 5.1. Verfahren zur Herstellung von Pd-Hydrogelen 96 5.1.1. Variation der Verfahrensparameter 97 5.1.2. Einfluss von Temperatur und Anreicherungsfaktor 99 5.2. Aerogel-Monolithe 103 5.3. Netzwerkstrukuren aus mikrobiellem Pd 105 5.4. Elektrochemische Oxidation von Methanol 106 5.5. Resümee 111 Zusammenfassung und Ausblick 113 A. Terminologie zu Kolloiden, Aggregaten, Gelen & Co. 115 B. Experimentelle Methoden 117 B.1. Synthesevorschriften 118 B.2. Charakterisierungsmethoden 128 B.3. Elektrochemische Untersuchungen an Aerogel-Elektroden 132 Literaturverzeichnis 135

In recent times, as regulations and legislations for exhaust treatment have become more stringent, a major concern in the arena of environmental catalysis is to find new efficient and economical exhaust treatment catalysts. Chapter 1 is a review of the current status of various NOx abatement techniques and understanding the role of “auto-exhaust catalysts” involved therein. Chapter 2 presents the studies on synthesis of ionically substituted precious metal ions like Pd2+, Pt2+ and Rh3+ in CeO2 matrix and their comparative three-way catalytic performances for NO reduction by CO, as well as CO and hydrocarbon oxidation. Ce0.98Pd0.02O2- showed better catalytic activity than ionically dispersed Pt or Rh in CeO2. The study in Chapter 3 aims at synthesizing 1 atom% Pd2+ ion in TiO2 in the form of Ti0.99Pd0.01O2- with oxide ion vacancy. A bi-functional reaction mechanism for CO oxidation by O2 and NO reduction by CO was proposed. For NO reduction in presence of CO, the model based on competitive adsorption of NO and CO on Pd2+, NO chemisorption and dissociation on oxide ion vacancy fits the experimental data. The rate parameters obtained from the model indicates that the reactions are much faster over this catalyst compared to other catalysts reported in the literature. In Chapter 4 we present catalytic reduction of NO by H2 over precious metal substituted TiO2 (Ti0.99M0.01O2-, where M = Ru, Rh, Pd, Pt) catalysts. The rate of NO reduction by H2 depends on the reducibility of the catalysts. Chapter 5 presents the studies on reduction of NO by NH3 in presence of excess oxygen. 10 atom % of first row transition metal ions (Ti0.9M0.1O2-, where M = Cr, Mn, Fe, Co and Cu) were substituted in anatase TiO2 and TPD study showed that the Lewis and Bronsted acid sites are adsorption sites for NH3, whereas NO is found to dissociatively chemisorbed in oxide ion vacancies. The mechanism of the low temperature catalytic activity of the SCR and the selectivity of the products were studied to understand the mechanism by studying the by-reactions like ammonia oxidation by oxygen. A new catalyst Ti0.9Mn0.05Fe0.05O2- has shown low temperature activity with a broad SCR window from 200 to 400 °C and more selectivity than commercial vanadium-oxides catalysts. We attempted NO dissociation by a photochemical route with remarkable success. In Chapter 6 we report room temperature photocatalytic activity of Ti0.99Pd0.01O2- for NO reduction and CO oxidation by creating redox adsorption sites and utilizing oxide ion vacancy in the catalyst. The reduction of NO is carried out both in the presence and in the absence of CO. Despite competitive adsorption of NO and CO on the Pd2+ sites, the rate of reduction of NO is two orders of magnitude higher than unsubstituted TiO2. High rates of photo-oxidation of CO with O2 over Ti0.99Pd0.01O2- were observed at room temperature. In Chapter 7 the results are summarized and critical issues are addressed. Novel idea in this thesis was to see if both noble metal ions and base metal ions substituted in TiO2 and CeO2 reducible supports can act as better active sites than the corresponding metal atoms in their zero valent state.