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多電子CO2変換を実現する複合光反応場の開発

Planned Research

Project AreaConcerto Photocatalysis: Innovation and Concert of Molecular Catalyst, Reaction Field, and Mechanistic Analysis for Light-driven Multiple-electron reduction of CO2
Project/Area Number 23H03832
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

中田 明伸  京都大学, 工学研究科, 講師 (20845531)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大洞 光司  大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (10631202)
山崎 康臣  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (90784075)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥57,980,000 (Direct Cost: ¥44,600,000、Indirect Cost: ¥13,380,000)
Fiscal Year 2025: ¥19,240,000 (Direct Cost: ¥14,800,000、Indirect Cost: ¥4,440,000)
Fiscal Year 2024: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥19,370,000 (Direct Cost: ¥14,900,000、Indirect Cost: ¥4,470,000)
Keywords光触媒 / 二酸化炭素還元 / 金属錯体 / 半導体 / 人工酵素 / CO2還元
Outline of Research at the Start

本研究課題では、本領域が目指すメタノールなどCO2の高次多電子還元生成物やエチレンなどの含複炭素化合物を光エネルギーによって獲得するために必要不可欠である、分子触媒上におけるCO2・電子・プロトンからなる複合的な基質操作を可能とする光反応場を構築することを目的とする。A01班が開発する革新的CO2変換触媒を複合光反応場に緻密に取り込み、その特異な反応性をC01班が開発する独自の解析手法を駆使して解明することで、CO2の自在光変換を実現する学理構築に貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、本領域が目指すメタノールなどCO2の高次多電子還元生成物やエチレンなどの含複炭素化合物を光エネルギーによって獲得す るために必要不可欠である、分子触媒上におけるCO2・電子・プロトンからなる複合的な基質操作を可能とする光反応場を構築することを目的 とする。A01班が開発する革新的CO2変換触媒を複合光反応場に緻密に取り込み、その特異な反応性をC01班が開発する独自の解析手法を駆使し て解明することで、CO2の自在光変換を実現する学理構築に貢献する。
今年度は、領域全体としてターゲットとする錯体系を共有することができた。光励起電子を局在サイトに誘導する共役系高分子反応場を開発し、高い量子収率でCO2を還元する複合光触媒系の構築に成功した。CO2多電子還元反応において重要な触媒活性中心への円滑な電子/プロトンの供給を可能にする「タンパク質反応場」 の開発を推進した。電子移動、プロトン伝達経路を有するタンパク質、シトクロムP450のアポタンパク質にCoポルフィリンが導入し、CO2還元光触媒反応を検討した。分子性の基質・触媒を用いた光触媒反応における「溶媒効果」は、典型的な反応条件下では主に「レドックス光増感反応」に対して強く表れることを明らかにした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

錯体触媒の性能を引き出し、高難易度反応に導く光反応場の設計開発の第一歩として、高分子材料および人工酵素への錯体触媒の取り込み、反応溶媒に依存する光反応性の検討を予定通り遂行できた。高分子光反応場においては、触媒部へと励起電子を共有する適切な分子設計を明らかにし、高い量子収率で錯体触媒を機能させることに成功した。人工酵素反応場において、プロトン/電子を供給するために適した狙いの位置へと錯体触媒を導入することに成功した。光触媒反応への溶媒効果に関しては、単なるCO2還元の触媒特性に対してだけではなく、光反応の効率を決定づける光電子移動過程に重要な役割を果たすことを見出した。これらの成果は、次年度以降に触媒開発班で開発中の錯体触媒を取り込み、その特性を最大限に引き出すための検討につながる重要な知見を与えたことから、当初の予定通り順調に進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

2023年度に、領域全体としてターゲットとする錯体系を共有することができたため今後は、当該錯体に光励起電子、プロトン、およびCO2を効果的に供給する反応場の構築と錯体触媒の内包に着手する。
(1) 2023年度に開発した、光励起電子を局在サイトに誘導する共役系高分子反応場に、CO2多電子還元を進行しうる錯体触媒を内包させる。中心金属のチョイスにより、COを強固に捕捉する錯体種、あるいはCO二分子で架橋した錯体種を形成することで、CO2の多電子還元、およびC-C結合形成に導く。
(2) 2023年度に引き続き、CO2多電子還元反応において重要な触媒活性中心への円滑な電子/プロトンの供給を可能にする「タンパク質反応場」 の開発を推進する。電子移動、プロトン伝達経路を有するタンパク質、シトクロムP450のアポタンパク質に種々の非天然金属錯体の導入を行い、人工酵素を調製する。種々の光増感剤を人工酵素に修飾あるいは相互作用させ、二酸化炭素還元反応を試みる。
(3) 光増感反応の各素過程を追跡することで、光増感反応の効率を決定づける溶媒のパラメータを明らかにし、光触媒反応を高効率化できる汎用性の高い学術的な知見の獲得を目指す。さらに、上述の電子移動反応だけでなくプロトンを同時に触媒へ供与できる光化学反応(光化学的プロトン共役電子移動・ヒドリド移動反応)にも注目し、最適 な溶液の組成や光増感剤(光触媒)を模索することで触媒の反応特性を変えられる光化学反応の開発にも着手する。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Metal-free carbazole-thiophene photosensitizers designed for a dye-sensitized H2-evolving photocatalyst in Z-scheme water splitting2024

    • Author(s)
      Nakada Akinobu、Yokota Takayuki、Ogura Morihiko、Chang Ninghui、Tomita Osamu、Saeki Akinori、Ogasawara Masamichi、Abe Ryu
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 160 Issue: 4 Pages: 044710-044710

    • DOI

      10.1063/5.0179225

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Intramolecular C-H bond amination catalyzed by myoglobin reconstituted with iron porphycene2024

    • Author(s)
      Kagawa Yoshiyuki、Oohora Koji、Hayashi Takashi
    • Journal Title

      Journal of Inorganic Biochemistry

      Volume: 252 Pages: 112459-112459

    • DOI

      10.1016/j.jinorgbio.2023.112459

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Rational design of an artificial ethylbenzene hydroxylase using a molecular dynamics simulation to enhance enantioselectivity2023

    • Author(s)
      Oohora Koji、Kagawa Yoshiyuki、Nishiura Takako、Mizohata Eiichi、Schwaneberg Ulrich、Hayashi Takashi
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 53 Issue: 2

    • DOI

      10.1093/chemle/upad042

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Light-Driven CO2 Fixation/Conversion by Designed Molecular Assemblies2024

    • Author(s)
      Akinobu Nakada
    • Organizer
      13th Japan-China Joint Symposium on Metal Cluster Compounds
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 長鎖アルキル鎖を有する可溶性共役系高分子/ Ru(II)錯体複合光触媒による可視光CO2還元2024

    • Author(s)
      浅井 俊亮、中田 明伸、鈴木 肇、冨田 修、阿部 竜
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 光増感剤フリーで可視光CO2還元を駆動するカルバゾール修飾型単核錯体光触媒2024

    • Author(s)
      冨浦 勇哉、中田 明伸、鈴木 肇、冨田 修、阿部 竜
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 二酸化炭素の光還元触媒を指向したCoポルフィリンを有する再構成シトクロムP450への光増感色素の化学修飾2024

    • Author(s)
      小島 大周、大洞 光司、林 高史
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Metal Complex/Semiconductor Hybrid Photoelectrocatalysts and Photocatalysts for CO2 Reduction2023

    • Author(s)
      Akinobu Nakada
    • Organizer
      2023 MRS Fall Meeting
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Function-selective modification of Ru complex catalysts on π-conjugated polymers for visible light water oxidation and CO2 reduction2023

    • Author(s)
      Kotaro Ishihara, Akinobu Nakada, Hajime Suzuki, Osamu Tomita, Ryu Abe
    • Organizer
      OKCAT2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 可視光により水の酸化及びCO2還元を駆動可能な機能選択的Ru錯体/π共役系ポリマー複合体の開発2023

    • Author(s)
      石原 弘太郎、中田 明伸、鈴木 肇、冨田 修、阿部 竜
    • Organizer
      第17回触媒道場
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 可視光応答型π共役高分子への位置・機能選択的Ru錯体修飾に基づく水の酸化およびCO2還元2023

    • Author(s)
      石原 弘太郎、中田 明伸、鈴木 肇、冨田 修、阿部 竜
    • Organizer
      第132回触媒討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] CO2還元および水の酸化を機能する錯体触媒を内包したπ共役系高分子の光触媒設計2023

    • Author(s)
      中田 明伸、石原 弘太郎、阿部 竜
    • Organizer
      2023年光化学討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ピレン部位を有する可視光応答型π共役系高分子への機能選択的Ru錯体修飾に基づく水の酸化およびCO2還元2023

    • Author(s)
      石原 弘太郎、中田 明伸、鈴木 肇、冨田 修、阿部竜
    • Organizer
      第34回配位化合物の光化学討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Photoexcited charge manipulation in π-conjugated polymers bearing metal-complex catalysts for visible-light CO2 reduction2023

    • Author(s)
      Akinobu Nakada, Chen Zhang, Ryuichi Miyakawa, Hajime Suzuki, Kosaku Kato, Akinori Saeki, Akira Yamakata, Hiromi Nakai, Ho-Chol Chang, Ryu Abe
    • Organizer
      31th International Conference on Photochemistry
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ピレン部位を有するπ共役系高分子へのRu錯体修飾に基づく可視光駆動O2生成2023

    • Author(s)
      石原 弘太郎、中田 明伸、鈴木 肇、冨田 修、阿部 竜
    • Organizer
      第42回光がかかわる触媒化学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of a New Photocatalytic System Using Immiscible Double-Layer Solutions2023

    • Author(s)
      Yasuomi Yamazaki, Masaru Ogasawara, Taro Tsubomura, Yoshiaki Nishibayashi
    • Organizer
      International Congress on Pure & Applied Chemistry (ICPAC) Bali 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Hemoprotein Assembly Containing Porphyrinoid Photosensitizers Toward an Artificial Light- Harvesting System2023

    • Author(s)
      Koji Oohora
    • Organizer
      15th International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors in Photosynthetic Organisms
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks]

    • URL

      https://sites.google.com/view/akinobunakada-web/home

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2025-04-17  

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