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「金 – は – 銅 “合金粒子を生成オリンピックのメダルの金属の3元素からなる高性能触媒を開発| ハイテクニュース| 東京工業大学

ポイント

  • 1ナノメートルサイズの粒子中に金・銀・銅を混合した触媒を開発
  • 従来の触媒よりも低温・低圧で運転、炭化水素の高活性酸化触媒
  • 高エネルギー物質であるヒドロペルオキシドを製造する特殊触媒

要約

東京工業大学科学技術創成研究塚本孝政調教、山本公寿教授、田辺真特任准教授、神戸哲也調教などの研究グループは、2018年にグループが開発した「アトムハイブリッド法[用語1]“を応用して、複数の元素を混合した小さなナノ粒子」のサブナノメートルの粒子[用語2]“を利用した特殊な高活性酸化触媒の開発に成功した。

研究チームは、今回の金・銀・銅の三種類の金属元素を含むサブナノメートルの粒子を触媒として使用して炭化水素の酸化反応[用語3]を中心に性能を調査した。 その結果、この合金粒子は、従来の触媒よりも低温・低圧で運転し、空気中の酸素分子のみを使用し、特別な反応剤を必要としない非常に穏やかな反応条件で動作する高活性触媒になるを発見した。 また、一般的に得ることができない特殊な高エネルギー物質」ハイドローファーオキサイド[用語4]“が安定的に得ることができることも明らかになった。

低リソースの量、低エネルギーで高い活性を発現するため、これらのサブナノメートルの粒子触媒は、資源問題やエネルギー問題の観点からも有用な資料になるものと期待される。 また、粒子中の元素を適切に組み合わせれば、触媒反応を用途に応じて自在に設計することができ、将来の資源とエネルギーをほとんど消費しない新しい環境材料の創出が期待できる。

研究成果は、2020年8月26日発行、ドイツ化学会誌」Angewandte Chemie International Edition(抱くブワンテ・ケミ国際版)」オンライン版に掲載された。

背景と経緯

炭化水素は、石油や天然ガスなどの化石燃料の主成分で、プラスチックや化学繊維、医薬品をはじめとする様々な機能材料の原料となっている。 炭化水素は、一般的に化学反応を起こしにくいので、これを有用な物質に変換するために、様々な触媒が研究されており、最近では特に高い反応活性を有するナノ粒子触媒が注目を集めている。

その中でも、一般的なナノ粒子よりも小さい粒径が約1ナノメートルに達する」サブナノメートルの粒子」は、さらに高い触媒活性を発現することが期待されている。 しかし、一般的なナノ粒子とは異なり、原子レベルの精密制御が要求されるサブナノメートルの粒子の合成は技術的に難しいため、これまでのところ、小さなサイズの触媒は、ほとんど研究されていなかった。

研究結果

塚本孝政調教、山本公寿教授らの研究グループは、2018年に開発したサブナノメートルの粒子の精密合成法」アトムハイブリッド法」を適用して特異な化学反応活性を有する合金のサブナノメートルの粒子触媒の新たな開発を目指していた。

グループは、今回の三種類の貨幣金属[用語5]元素(金・銀・銅)を含む合金、サブナノメートルの粒子触媒に着目してモデル物質であるシクロヘキセンを出発原料として炭化水素の酸化反応試験を実施した(図1)。 その結果、特に銅原子を含む粒子が酸化反応の触媒として働いており、バルク(塊物質)とナノ粒子と比較して、サブナノメートルの粒子は非常に高い反応活性を有することが明らかになった。

また、金の原子と銀原子と合金化して反応活性がより増幅され、三種類の元素を含む、金 – 銀 – 銅合金は、最も高い触媒性能を示した(図2)。 また、この合金粒子は、従来の触媒よりも低温・低圧で運転酸素分子のみを使用して、特別な反応剤を必要としない非常に穏やかな反応条件で機能することが明らかになった。 研究者は、コンピュータシミュレーションにより、各金属元素が粒子中、それぞれ固有の役割を担っており、これらの効果が共演で働くことができる、高反応活性の要因となっていると予測している。

また、一般的には得ることができない特殊な高エネルギー物質であるヒドロペルオキシドが選択的に得ることができるのも発見された(図2)。 炭化水素の過酸化水素が結合されたヒドロペルオキシドは、過酷な反応条件で速やかに分解してしまう不安定な物質であるが、今回実現した非常に穏やかな触媒反応で安定した生産が可能になったと考えた。

図1 アトムハイブリッド法を用いた、金 – 銀 – 銅合金のサブナノメートルの粒子の合成。

デンドリマー[用語6]粒子の原料である金、銀、銅の金属塩をキャプチャし、これを還元することにより、サブナノメートルの粒子を得る。 1ナノメートル程度のナノ粒子に、各元素が混合されていることがわかる。

図2.サブナノメートルの粒子によるヒドロペルオキシドの生成とその触媒性能。

図2 サブナノメートルの粒子によるヒドロペルオキシドの生成とその触媒性能。

反応を触媒することは、主に銅原子が、バルク(塊物質)とナノ粒子は、ほとんど反応が進行されない。 一方、サブナノメートルの粒子まで小さくなると、触媒性能が大幅に向上、金原子と銀原子と合金化することによってさらに増幅されることがわかる。

今後の展開

アトムハイブリッド法を応用して、従来よりもはるかに穏やかな条件で駆動して、既存の触媒を凌駕する活性を持つ新しい触媒の開発に成功した。 この成果は、サブナノメートルの粒子を構成する元素を適切に設計して触媒反応をカスタマイズすることができる可能性を示している。

また、これらのサブナノメートルの粒子触媒は、ごく少数の金属原子しか使用せず、低温で動作するため、資源問題やエネルギー問題の観点からも有用な資料になるものと期待される。 将来的には、資源とエネルギーをほとんど消費しない次世代の環境材料の創出につながる可能性がある。

用語説明

[用語1] アトムハイブリッド法 :デンドリマー(用語6参照)をナノサイズの鋳型として用いて、原子レベルの精度でサブナノメートルの粒子(用語2参照)を合成する方法。 デンドリマー構造の中に、様々な金属イオンをさまざまな組み合わせでキャプチャすることができる。 キャプチャされた金属イオンを化学的に還元して、目的のサブナノメートルの粒子を得る。

[用語2] サブナノメートルの粒子 :直径が約1ナノメートル程度のナノ粒子のこと。 わずか数個の〜数十個の原子で構成されており、ナノ粒子の中でも特に小さく、一般的なナノ粒子にはない特異な機能を持っている。

[用語3] 炭化水素の酸化反応 :炭素と水素のみからなる有機分子を酸化反応でキャンドルの炎とガソリンの燃焼も、この反応の一種である。 炭化水素は、非常に安定した炭素 – 水素結合を持つために、化学変換が難しく、高温や高圧強力な酸化剤、触媒などを必要とする場合が多い。 また、一般的に、様々な酸化生成物を得ることができで、目的の物質だけを効率的に得るために多くの工夫をする。 今回出発原料として用いたシクロヘキシルセンヌン炭素6原子と水素10原子から成る環状の炭化水素。

[用語4] ヒドロペルオキシド :炭化水素と過酸化水素が結合された物質。 一般的な酸化触媒は、炭化水素と酸素が結合した「酸化物(酸化)」と水が結合された “水酸化物(水酸化)」を得ることができますが、今回開発した触媒は、ヒドロキシペルオキシも、この選択的に生産される。 酸化と水酸化と比較してヒドロペルオキシドは、高エネルギーを維持した希少物質で、様々な精密化学製品の原料として利用が期待される。 不安定な物質であるため、一般的に早く分解してしまうが、サブナノメートルの粒子を用いた低温・低圧の穏やかな触媒反応によって最初安定得ることに成功した。

[用語5] 通貨金属 :周期表第11族元素​​である金・銀・銅は、オリンピックのメダルを秒様々なコインに利用されることから貨幣金属とも呼ばれる。 他の金属元素と比較して、腐食されにくく、特に金は化学反応をほとんど起こさないため錆びない金属でよく知られている。 これらの不活性金属元素は、触媒に適していると考えられていたが、最近、ナノ粒子の大きさまで小さくすることにより、触媒性能を発現することを発見した。 金・銀・銅元素記号はAu・Ag・Cu原子番号は29・47・79。

[用語6] デンドリマー :コアと呼ばれる中心構造とデンドロンという核心で樹状に延長分岐構造で構成された特殊ポリマー。 本研究では、金属イオンを取り込むことができます移民というユニットをコアとデンドロン構造中に多数統合するユニークなデザインのデンドリマーを採用している。

論文情報

掲載誌:

Angewandte Chemie International Edition(抱くブワンテ・ケミ国際版)

論文タイトル:

Selective Hydroperoxygenation of Olefin Realized by Coinage Multimetallic 1-nanometer Catalyst(1ナノメートルの貨幣金属合金を触媒としたオレフィンの選択的なヒドロペルオキシ化反応)

著者:

Tatsuya Moriai、Takamasa Tsukamoto、Makoto Tanabe、Tetsuya Kambe、Kimihisa Yamamoto

DOI:

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Omori Yoshiaki

ミュージックホリック。フードエバンジェリスト。学生。認定エクスプローラー。受賞歴のあるウェブエキスパート。」

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