関連データ・研究者

ポイント

  • 選択的にニ酸化炭素を吸収する多孔性材料を開発
  • 短時間・高効率・副産物なしでニ酸化炭素を有用な有機分子に変換することに成功


京都大学アイセムス(物質ー細胞統合システム拠点)の北川進(きたかわ・すすむ)拠点長・特別教授、大竹研一(おおたけ・けんいち)持定助教、細野暢彦(ほその・のぶひこ)客員講師(兼 東京大学大学院 新領域創成科学研究科講師)らの研究グループは、中国江蘇師範大学の研究グループと共同で、選択的にニ酸化炭素を捉えて有用な有機分子に変換できる新しい多孔性材料の開発に成功しました。

ニ酸化炭素は燃焼や生物の呼吸、発酵など、我々の生活の様々な場面で生成し、地球上に広く存在する化合物ですが、同時に温室効果をもつガスとしても知られています。近年、化石燃料(石炭、石油、天然ガスなど)の使用の増加により大量の二酸化炭素が地球上に排出されることによる地球温暖化の懸念か高まっています。こうした背景から、ニ酸化炭素の排出量を削減する技術や排出されたニ酸化炭素を有効活用する技術に高い注目か集まっています。


本研究で聞発した多孔性材料は、有機分子と金属イオンからなるジャングルジム状のネットワーク構造でできており、内部にナノサイズの小さな穴(細孔)を無数に持っています。この第孔はニ酸化炭素に高い親和性を持っており選択的にニ酸化炭素を細孔中に取り込むことができます。さらに、細孔に触媒能を持つ金属イオン部位が規則的に配置されており、取り込んたニ酸化炭素分子を原料として細孔内で高効率な触媒反応を起こすことが期待されます。実際に、この材料を利用してニ酸化炭素をエポキシドに付加させる変換反応を試みたところ、カーボネートが高収率、高効率で生成することがわかリました。反応の性能の指標となるニ酸化炭素の変換におけるターンオーバー数2は39,000に達し、すでに報告されている多孔性材料の中でも最高の性能を示しました。


図:今回開発された多孔性材料(多孔性配位高分子:PCP)は、プロペラのような形の分子構造を持っており、二酸化炭素を吸着して有用な有機分子に効率的に変換することができる
(イラスト:高宮泉水 iCeMS特定助教)


今回開発した多孔性材料は、ニ酸化炭素を取り込むだけでなく、ニ酸化炭素の反応性を高め有用な有機分子に変換させることかできる材料です。また、この反応は付加反応であるため副生成物を生じず、有機溶媒も用いないことから環境に優しい反応です。今回の成果は、地球温化の主因ともされる二酸化炭素を安価に資源として活用する技術への応用が期待されます。

本成果は英国の学術誌Nature Communications電子版に9月25日(米国東部標準時問)に掲載されました。


背景

近年、地球温暖化に対する懸念や、新しいエネルギー資源の活用の観点から、ニ酸化炭素ガスを資源化する技術の聞発が大きな注目を集めています。

我々のグループはこれまでに、多孔性材料の一種である、多孔性配位高分子3 (Porous Coordination Polymer:PCPまたはMetal-Organic Framework:MOF)について研究してきました。PCPは有機分子と金属イオンをパーツとした繰り返し構造をもつ結晶性の物質で、中には無数の小さい穴が規則正しく整然と並んでいます。PCPは一般的な多孔性材料と異なり、細孔の構造を設計することができ、有用な機能性を持たせることが可能です。

そこで、研究チームはニ酸化炭素を細孔内に選択的に捕捉し、捕捉したニ酸化炭素を活用できるような新しいPCPの開発を目指しました。


研究内容と成果

研究チームは、トリフェニルアミンから作成したプロペラの様な形をもつ配位子と亜鉛イオンから新たなPCPを聞発しました。PCPの中のプロペラ部分がゲートの役割を果たしており、この部分が回転することで、ニ酸化炭素ガスを選択的に穴の中に通過させ補捉することができます。

X線結晶構造解析4や吸着熱測定などの実験と理論計算の検討から、この材料の細孔がニ酸化炭素に対して高い親和性を有することが確認することができました。

実際に、この材料をエポキシドへのニ酸化炭素の環化付加反応5へと用いたところ、ターンオーバー数が39,000を超える非常に高効率な触媒として機能することがわかリました。また、反応させるエポキシドの種類を変えることで、10種類の有機分子を生成することに成功しました。




今後の展開

今回の成果により地球温暖化の主因ともされるニ酸化炭素ガスを副産物なしに、日常生活に欠かせないプラスチックの一種であるポリウレタンの原料など、有用な炭素資源へと変換できる技術の実現へ一歩近づきました。


用語解説

※1 多孔性材料

細孔が非常に多く空いている材料のことで、我々の身近なとこで吸着、分離、貯蔵といった様々な目的で利用されており、その代表例が活性炭やゼオライトです。

※2 ターンオーバー数

触媒反応の活性点が何回機能したかを表す指標であリ、TONと標記されます。例えば活性点が10個あリ生成物が1000個得られた場合であれは、ターンオーバー数は100となります。

※3 多孔性配位高分子

有機物と金属イオンが相互に結合し、三次元的な格子構造を形成した結晶性の多孔性の化合物。数Åから数nmの無数の細孔を有し、その細孔に様々な小分子を取り込むことができます。この機能を利用し、ガスの分離や貯蔵、細孔内部でのイオンの輸送などといった応用研究が盛んに行われています。


※4 X線結品構造解析

試料結晶にX線を照射したときに回折されたX線の方向と強度を観測することで、その結晶を構成する原子や分子がどのように配置されているのかを計算して求めることができます。


※5 ニ酸化炭素の環化付加反応

工ポキシドへのニ酸化炭素の環化付加反応は、工ポキシドの三員環が聞環してニ酸化炭素と反応して五員環を形成する反応です。この反応では何ら副生成物を伴わないことからニ酸化炭素の固定化反応として注目を集めています。


研究プロジェクトについて

本成果に関わる研究は科学研究費補助金によるサポートで行われました。


論文タイトル・著者

"Carbon dioxide capture and efficient fixation in a dynamic porous coordination polymer"

(参考訳:ニ酸化炭素を捕捉し高効率に固定化する柔軟な多孔性配位高分子)

著者:Pengyan Wu,Yang Li,Jia-Jia Zheng, Nobuhiko Hosono, Kenichi Otake, Jian Wang, Yanhong Liu, Lingling Xia, Min Jiang, Shigeyoshi Sakaki & Susumu Kitagawa

Nature Communication

DOI:10.1038/s41467-019-12414-z

推定分野
研究期間 2018年度~2022年度 (H.30~R.4) 配分総額 194,350,000 円
代表者 北川 進 京都大学 高等研究院
推定分野
研究期間 2019年度~2020年度 (R.1~R.2) 配分総額 4,290,000 円
代表者 大竹 研一 京都大学 学内共同利用施設等