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2023 Fiscal Year Research-status Report

多孔性分子触媒中でのトンネル効果発現による水素同位体の精密分離

Research Project

Project/Area Number 22K19086
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

近藤 美欧  東京工業大学, 理学院, 教授 (20619168)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Keywords錯体化学
Outline of Annual Research Achievements

申請者は、これまでに分子性金属錯体触媒の自己集積によって構築される多孔性分子触媒材料、「フレームワーク触媒」を独自に開拓してきた。本材料は、原子レベルで構造・電子状態が規定された細孔中に触媒活性点を自在に導入可能である点で既存の多孔性結晶材料とは一線を画す。このフレームワーク触媒の開発研究を進める中で、CO2還元を触媒するフレームワーク触媒(Small, 2021, 2006150)において、H2O中とD2O中とでその触媒反応速度が大きく異なり、その速度論的同位体効果(kinetic isotope effect, KIE)がおよそ100と非常に大きな値を示すことが判明した。この大きなKIEは、フレームワーク触媒中で水素原子の量子トンネリング現象(K. Kuwahata et al., Phys Rev Lett., 2015, 115, 133201)が生じることに由来すると解釈できる。この事実は、フレームワーク触媒が水素のトンネリング現象を室温で発現可能な特異な材料であることを示している。
上記の萌芽的知見を礎に、本研究では、申請者が独自に開発してきたフレームワーク触媒を基軸とした水素同位体の高効率分離・精製手法の確立を志向した研究を展開する。そのために、疎水性分子認識場と水素イオン変換触媒サイトとを併せ持つ新規フレームワーク触媒を開発することを目標とした。
本年度の研究においては、ロジウム二核錯体からなるフレームワーク触媒FC1の機能評価を実施した。その結果、非常に高い反応速度(8.0××104 μμmolh-1g-1)での水素発生が確認された。この反応速度は、既存のMOFならびにCOFなどの類似材料を触媒として用い可視光条件下かつ水溶液中で行った水素発生反応の中で最高クラスの値であった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2023年度の研究では、触媒部位に水素還元発生能を有するRh二核錯体、コネクタ部位に水素結合形成サイトとして機能するテレフタル酸を採用し、フレームワーク触媒(FC1)の構築を行った。その結果、Rh二核錯体間で非共有結合性相互作用である水素結合によるネットワークが形成され、この水素結合ネットワークが細孔構造の形成に寄与していることが判明した。以上から、①触媒部位、②プロトン伝導サイト、③多孔性を有した構造の構築に成功したことが明らかになった。またFC1反応速度は、既存のMOFならびにCOFなどの類似材料を触媒として用い可視光条件下かつ水溶液中で行った水素発生反応の中で最高クラスの値であった。したがって、疎水性分子認識場と水素イオン変換触媒サイトとを併せ持つ新規フレームワーク触媒の開発には成功した。一方で、その触媒能の速度論的同位体効果については現状全く調査が行われていない。よって、進捗状況をやや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

次年度以降の研究では、フレームワーク触媒により促進される水素発生反応の速度論的同位体効果について調査を行い、温和な条件で水素同位体を高効率に分離・精製するための方法論の確立に向けて鋭意努力する所存である。

Causes of Carryover

研究の進捗に遅れが生じたため、2023年度に予定していた計画が実施できなかった。そのために次年度使用額が生じた。次年度の使用計画は以下の通りである。合成用試薬類:1,300千円・ガラス器具:500千円、測定用高純度ガス:300千円、測定用消耗品:200千円、国内出張旅費:200千円、論文投稿費用:300千円

  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Pentanuclear iron complex for water oxidation: Spectroscopic analysis of reactive intermediates in solution and catalyst immobilization into the MOF-based photoanode2024

    • Author(s)
      Ezhov Roman、Bury Gabriel、Maximova Olga、Daniel Grant Elliot、Kondo Mio、Masaoka Shigeyuki、Pushkar Yulia
    • Journal Title

      Journal of Catalysis

      Volume: 429 Pages: 115230~115230

    • DOI

      10.1016/j.jcat.2023.115230

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electrochemical C(sp3)-H Functionalization Using Acetic Acid as a Hydrogen Atom Transfer Reagent2024

    • Author(s)
      Morii Yuma、Watanabe Taito、Saga Yutaka、Kambe Tetsuya、Kondo Mio、Masaoka Shigeyuki
    • Journal Title

      ChemElectroChem

      Volume: 11 Pages: e202400061

    • DOI

      10.1002/celc.202400061

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Iron-Complex-Based Supramolecular Framework Catalyst for Visible-Light-Driven CO2 Reduction2023

    • Author(s)
      Kosugi Kento、Akatsuka Chiharu、Iwami Hikaru、Kondo Mio、Masaoka Shigeyuki
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 145 Pages: 10451~10457

    • DOI

      10.1021/jacs.3c00783

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Accumulation of Re-complex-based Catalytic Centers in Metal-Organic Cages for Photochemical CO2 Reduction/Insertion2023

    • Author(s)
      Kitada Masaki、Goo Zi Lang、Kosugi Kento、Saga Yutaka、Yoshinari Nobuto、Kondo Mio、Masaoka Shigeyuki
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 52 Pages: 512~515

    • DOI

      10.1246/cl.230185

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Introducing proton/electron mediators enhances the catalytic ability of an iron porphyrin complex for photochemical CO2 reduction2023

    • Author(s)
      Imai Maho、Kosugi Kento、Saga Yutaka、Kondo Mio、Masaoka Shigeyuki
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 59 Pages: 10741~10744

    • DOI

      10.1039/D3CC01862H

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Iron-Complex-Based Supramolecular Framework Catalyst for Visible-Light-Driven CO2 Reduction2024

    • Author(s)
      Mio Kondo
    • Organizer
      The 9th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC9)(招
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 機能統合戦略に基づく小分子変換触媒材料の構築2023

    • Author(s)
      近藤美欧
    • Organizer
      産総研 第96回触媒化学融合研究センター講演会
    • Invited
  • [Presentation] Development of Function-Integrated Catalytic Systems for Photochemical CO2 Reduction2023

    • Author(s)
      Mio KONDO
    • Organizer
      International Conference on Photochemistry 2023 (ICP2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 金属錯体の集積に立脚した小分子酸化還元のための触媒材料の開発2023

    • Author(s)
      近藤美欧
    • Organizer
      錯体化学若手の会 関東支部 2023年度 後期勉強会
    • Invited
  • [Presentation] Development of Artificial Catalytic Systems Inspired by Natural Photosynthesis2023

    • Author(s)
      Mio Kondo
    • Organizer
      The 3rd Sino-Japanese Symposium on Catalysis for Precision Synthesis(招待講演)
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2024-12-25  

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