Development of porous materials that enable the effective utilization of environmental carbon dioxide

• Project/Area Number: 22KF0224
• Project/Area Number (Other): 22F22403 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 64030:Environmental materials and recycle technology-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 北川 進 (2023) 京都大学, 高等研究院, 特別教授 (20140303)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): DUTTA BASUDEB 京都大学, 高等研究院, 外国人特別研究員
• Host Researcher: 北川 進 (2022) 京都大学, 高等研究院, 特別教授 (20140303)
• Foreign Research Fellow: DUTTA BASUDEB 京都大学, 高等研究院, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2024: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000); Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2022: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
• Keywords: 多孔性配位高分子 / 触媒 / 光触媒 / 二酸化炭素 / 複合材料 / 結晶工学 / ナノ空間化学 / 錯体化学

Outline of Research at the Start

石燃料の消費量の増加により,CO2排出量は増加の一途をたどっており、気候変動に深刻な影響を与えている。この影響を最小限に抑えるため,CO2の回収・ 貯留(CCS)のさまざまな方法が提案されてきた。しかし、CO2回収には大量のエネルギーを投入する必要であった。Dutta氏と行う本共同研究では、多孔性配位高分子(PCP)を光触媒として利用した効率的なCO2変換システムの創出を目指す。特に反応性と細孔特性の両方を発現しうる二次元性PCPを基盤とした変換材料を開発することにより、CO2吸着と光触媒反応による高付加価値分子へのCO2変換を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

化石燃料の消費量の増加により,CO2排出量は増加の一途をたどっており、気候変動に深刻な影響を与えている。この影響を最小限に抑えるため,CO2の回収・ 貯留(CCS)のさまざまな方法が提案されてきたが、未だに有効な手法の開発が待ち望まれている。Dutta氏と行う本共同研究では、多孔性配位高分子(PCP)を光触媒として利用した効率的なCO2変換システムの創出を目指している。特に、自然界に見られる光触媒を模倣して、PCPの骨格に光活性部位とRedox活性部位を組み込むデザインにより、複数の新規のPCPの開発に取り組んできた。
本年度は、前年度に引き続きPCPの開発を行うと共に、前年度において開発を行った各種PCPの二酸化炭素親和性と光学特性を調べると共に、そのCO2光還元触媒反応特性について評価を行った。（4-(イミダゾール-1-イル)フェニル）エテンを光活性ユニット、1,4-ジヒドロ-4-オキソピリジンをRedox活性ユニットとして設計・合成したPCPにおいて、光照射により約90％の選択性でCO2からギ酸を生成することがわかった。現在、本研究の論文化に取り組んでいる。また、触媒内で電子と正孔の再結合を防ぐ構造設計から、異なる電子的性質を持つPCPドメインを複合した階層的な構造を持つ一連のPCP@PCP複合体の合成にも研究を展開した。ポルフィリンユニットを骨格に有するPCPを基盤とした複合体を構築することによって、CO2からCOを選択的に生成する光触媒の生成ができた。今後は、こうした光触媒の反応機構の解明に取り組むとともに、反応活性の向上を目指すための構造ー光触媒特性相関について検討をする予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本共同研究では、多孔性配位高分子(PCP)を光触媒として利用した効率的なCO2変換システムの創出を目指している。特に、自然界に見られる光触媒を模倣して、PCPの骨格に光活性部位とRedox活性部位を組み込むデザインにより、複数の新規のPCPの開発に取り組んできた。こうした構造デザインから、PCPを基盤としたCO2還元光触媒を実現しており、選択的なCO生成反応やギ酸の生成反応を観測している。これまでに得られた成果については論文化に取り組んでおり、本研究課題はおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

触媒反応を行う本共同研究において、構造物性相関の解明及び触媒の詳細な機構検討が重要である。そのため、残りの研究期間では、(a)詳細な物性評価の完了、(b)既報告材料との光触媒活性の比較、(c)高効率材料に向けた構造物性相関の検討、(d)メカニズム解明のためのin situ実験　に取り組む。今後の研究では、既に合成した材料に集中し、本研究課題の期間内に全ての実験を完了させる予定である。
本共同研究で得られた成果については、全て原著論文として報告し、国際的に著名な学術誌に投稿を行う予定である。