三元素ハイブリッド機能触媒を基盤とした高効率酸化変換の開発
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21K04774
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
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| Research Institution | Fukushima Medical University |
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Principal Investigator |
田邊 真 福島県立医科大学, 公私立大学の部局等, 教授 (80376962)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | ハイブリッド触媒 / 銅 / デンドリマー / ナノ粒子 / 酸化反応 / 還元反応 / 酸化変換 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，酸化還元活性を示す「銅」，C-H結合活性化に優位な「貴金属」，低原子価の化学種が安定な「典型金属」で構成される三元素「ハイブリッド触媒」を用いて，分子状酸素で酸化反応を達成するグリーンケミストリーを指向した酸化変換触媒の開発を目的とする．ハイブリッド触媒を構成する「原子組成比」に応じて，幾何構造および電子状態が顕著に異なるため，触媒機能が顕著に変動するだけでなく，特定の組成比をもつハイブリッド触媒は飛躍的に触媒活性が向上する「黄金原子比」の存在も充分に期待される．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、酸化還元活性を示す「卑金属 (Cu)」、酸素親和性が低い「貴金属 (Pt)」、酸素親和性が高い「典型金属 (Sn)」で構成される三元素ハイブリッド粒子を精密に合成し、炭化水素の酸化反応および極性官能基の還元反応をモデル反応としてハイブリッド粒子の触媒機能を明らかにする。化学的性質が異なる三元素ハイブリッド粒子はその元素組成比に応じて電子状態及び幾何構造が顕著に異なるため、ハイブリッド効果による飛躍的な触媒活性の向上、単一元素では実現できない多機能性を発現することが期待される。
ハイブリッド粒子合成の鋳型となるデンドリマーを用いて、ルイス酸性が高い順で白金、スズ、銅のそれぞれの金属塩を段階的に加えた。添加した金属塩はデンドリマーの窒素原子に対して、金属塩の精密集積が達成された。化学還元によりデンドリマー内で三元素サブナノ粒子の形成後、凝集を抑制するためシリカに担持した不均一系触媒を調製した。走査透過電子顕微鏡による粒子観察とエネルギー分散型蛍光X線分析装置による元素分析から、1 nm程度の粒子サイズと粒子中にPt、Sn、Cuが存在することを確認した。関連する二元素サブナノ触媒 (PtSn、PtCu)、単一元素サブナノ触媒 (Pt、CuOx、SnOx)も合成し、芳香族炭化水素 (Xanthene) をモデル分子とした酸化反応を検討した。その結果、単一元素触媒や二元素触媒は中程度までの転化率を示したが、三元素触媒の転化率は飛躍的に向上した。しかも、72時間後までXantheneの転化率は一律で変化したことから、耐久性が向上しているとも示唆される。これらの触媒活性は酸化反応に限らず、還元反応においても三元素ハイブリッド触媒の活性が飛躍的に向上していることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、モデル反応を用いて三元素ハイブリッド粒子の触媒機能を検討している。酸素分子を酸化剤とする触媒反応に限らず、昨年度は極性官能基をヒドリド試剤での還元反応を検討した。その結果、二元素触媒と比較して、三元素触媒は100倍以上の高い反応速度で反応が進行する飛躍的な触媒活性を示した。酸素雰囲気下による酸化物触媒より還元雰囲気下による還元触媒が、リガンド効果を通じて元素特有の触媒特性を発現したと考察している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題は、次年度で最終年度を迎えるため、これまでの研究成果を論文および学会発表して世間に公表することを最優先課題とする。酸化反応では、ハイブリッド触媒は卑金属・典型金属元素の酸化物に分散された貴金属元素が触媒機能を発現していると考察される。従って、酸化された卑金属・典型金属元素の化学的特徴がそれほど活かされてない。電気陽性な卑金属・典型金属元素の電子的効果を利用して触媒活性を評価することで、三元素ハイブリッド触媒の特徴を明らかにする。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
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[Journal Article] Makoto Tanabe, Yu Nakamura, Taka-aki Niwa, Masaru Sakai, Akira Kaneko, Hiroyuki Toi, Kazuki Okuma, Yoshitaka Tsuchido, Take-aki Koizumi, Kohtaro Osakada, and Tomohito Ide2022
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