Analyses of one-step hydrogenation of polycyclic aromatic hydrocarbons with multi-electron transfer in microemulsion reaction field

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K04999
• Research Institution: Toyama Prefectural University
• Principal Investigator: 脇坂 暢 富山県立大学, 工学部, 教授 (40377601)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 電解水素化 / 芳香族有機分子 / マイクロエマルション / 微分電気化学質量分析

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、マイクロエマルション電解液を反応場とした多環芳香族の1段階電解水素化反応を解析することで、高効率かつ高選択性を有する電極触媒の開発、反応場の設計、本電解技術の水平展開を目指した。最終年度は2つのサブテーマに沿って研究を実施した。
【サブテーマA】活性・反応選択性のスクリーニング：基質(ナフタレン、クロロベンゼン類)、界面活性剤、支持電解質の種類・pH、電極材料組成および電解条件(電流密度、温度)による生成物の変化をガスクロマトグラフで定量的に分析した。電解は3極式H型セルにて所定温度に保ちながら定電流モードで実施した。ガスクロ的分析結果から、反応活性(ファラデー効率)と反応選択性への影響度合いを調査した。特に電極材料、電解電流密度、支持電解質pHが与える影響を詳細に検討した。その結果、支持電解質のpHが反応活性に大きく影響することが明らかとなった。pHの低い支持電解質では高いファラデー効率を示した一方で、NaOH水溶液を支持電解質に用いた場合、反応活性が下がるとともに、界面活性剤の種類によっては部分的な水素化にとどまってしまうことが明らかとなった。前年度、マイクロエマルション反応場での芳香環の水素化はLangmuir-Hinshelwood機構であることが示唆されていた。従って、電極表面上における基質の吸着構造が支持電解質(pH)および界面活性剤によって著しく変化し、反応活性および反応選択性に大きな影響を与えたと考えられる。
【サブテーマB】微分電気化学質量分析器による水素化反応のその場解析：微分電気化学質量分析法は膜材料の直上または近傍に電極を置き、その膜を介して電解生成物を質量分析計にて分析する方法である。本年度は電極材料を膜に直接スパッタさせることで電解生成物の真空系への導入を試みた。その結果、水素化物の検出に成功し、1段階電解の直接的証拠が得られた。