2021 Fiscal Year Research-status Report
The development of metal-nonmetal alloy nanoparticles for the hydrogenation of lignocellulose
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21K04776
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山口 渉 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50700150)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | リグノセルロース / 水素化 / 協同触媒作用 / リン化ニッケルナノ合金 / ハイドロタルサイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、リン化金属ナノ粒子触媒の設計・開発とバイオマス由来リグノセルロース(セルロース及びリグニン)の高効率水素化分解への応用である。天然に豊富に存在するリグノセルロースの必須資源化は、化石燃料の代替法を確立する上で非常に重要な研究領域である。そこで、温和な条件下での水素化分解を実現することにより、既存の水素化分解プロセスを置き換える画期的な環境低負荷型水素化手法を提案する。
初年度ではまず、グルコースの水素化によるソルビトール合成を検討した。グルコースはセルロースのモノマーユニットである。独自の手法により合成したリン化ニッケルナノ合金(nano-Ni2P)を用いたグルコースの水素化反応を検討した結果、層状複水酸化物であるハイドロタルサイト(HT)にnano-Ni2Pを分散担持した触媒(nano-Ni2P/HT)が、温和な反応条件下でグルコースを高効率に還元し、高選択的にソルビトールを与えることを見出した。nano-Ni2P/HTは世界で初めて常温あるいは常圧水素下において、グルコースの水素化反応を進行させる。また、グラムスケールでの反応では、これまでに報告されている非貴金属触媒の中で最も高い触媒回転数(852)を示した。さらに，本触媒は再使用可能、実用的な観点から重要である高濃度のグルコース溶液(50 wt%)にも適用できる上、グルコース以外の単糖(キシロース)および二糖類(マルトース)の還元に対しても有効に作用することがわかった。
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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
ハイドロタルサイト固定化リン化ニッケルナノ粒子触媒による単糖、二糖類の水素化反応を検討した結果、既存触媒を凌駕する高い活性が発現し、温和な条件下で糖類を対応する糖アルコールへ高選択的に還元することを見出した。さらに、種々の構造解析の結果から、この高い触媒活性は、リン化ニッケルナノ合金とハイドロタルサイトが、その界面においてそれぞれ水素と糖類のカルボニル基を活性化する協同触媒作用に起因する事を明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に得られた知見を活かして、セルロース及びリグニンの分解による有用物質合成へと展開していく。セルロースはグルコースがβ-1,4結合を介して連なる高分子であり、水素結合に基づく強固な構造を有する。セルロースからソルビトールへの変換には、糖同士を結ぶグリコシド(炭素－酸素)結合の開裂及びグルコースの水素還元を連続的に行う必要がある。そこで、様々な酸塩基性質を持つ金属酸化物を担体としたリン化金属ナノ粒子触媒を用いて、反応パラメータを詳細に検討する。さらに、この優れた水素還元能をリグニン水素化分解に応用する。すなわち、リン化金属ナノ合金と担体との協同触媒作用の発現により、フェノール性水酸基を介して連なるリグニンの水素化脱酸素反応を促進し、低分子芳香族化合物を得る高活性触媒の合成を検討する。
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| Causes of Carryover |
初年度に計上していた設備・備品費の購入を、次年度以降に変更したため。
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