| 研究課題/領域番号 |
22KF0002
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| 補助金の研究課題番号 |
21F21352 (2021-2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2021-2022) |
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| 応募区分 | 外国 |
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| 審査区分 |
小区分27030:触媒プロセスおよび資源化学プロセス関連
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
中島 清隆 北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (90451997)
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| 研究分担者 |
PADOVAN DANIELE 北海道大学, 触媒科学研究所, 外国人特別研究員
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 500千円 (直接経費: 500千円)
2022年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2021年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
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| キーワード | バイオマス変換 / フルフラール / コルベシュミット反応 / 二酸化炭素 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ルイス酸サイトによる二酸化炭素の活性化，および塩基サイトによる芳香族C-H結合の活性化を“単一の固体触媒表面”にて両立し，フロン酸またはフルフラール誘導体へのカルボニル化反応を構築する．化石資源由来の水素・炭化水素を利用せず，二酸化炭素の非還元的変換反応にてバイオマス由来炭化水素を高付加価値中間体へと昇華させる固体触媒反応の構築は，次世代の代表的かつ重要なグリーンプロセスのひとつになる．
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| 研究実績の概要 |
二酸化炭素を活性化する触媒担体として、ニオブおよびチタンを含有した複合金属酸化物に着目し、前年度に引き続きその高表面積化および酸塩基触媒性質を精力的に検討した。前年度までに確立した液相合成法（錯体重合法やアモルファス金属錯体法）などのソフト溶液プロセスを駆使し，アルカリ土類金属を第二成分としたチタンおよびニオブ系複合酸化物を系統的に検討し、特にBaやSrを含むニオブ系複合酸化物（BaNb2O6, SrNb2O6など）がキシロースの脱水反応に有効な酸塩基性質を有することを踏まえ，微粒子化による公表面積化を実施した．具体的には，不活性なアルミナ担体表面に含浸担持によって前駆体を高分散で担持し，それを高温焼成することによって複合酸化物の微粒子が固定できた．平均粒子径がバルク体の1/10程度となっており，その表面積の増加効果は大きい．触媒作用をキシロースの脱水反応で検討したところ，微粒子化により単位重量当たりの触媒活性が5倍以上に向上，さらに副反応が抑制されることによってフルフラールの選択率が向上した．このような材料設計の方法論は他の物質に対しても適用できる可能性が高く，かつターゲットであるコルベシュミット反応にも適用可能ではないかと想定している．
コルベシュミット反応を実施するため，本年度ではまず二酸化炭素ガスを利用した気相流通反応系を構築した．その反応系を利用し，二酸化炭素流通下にて炭酸セシウムとフラン酸による過去の反応をトレースしてみたところ，既報の反応効率を精度よく再現できることを確認した．それを活用し，これまでに開発してきた触媒群の活性評価に着手し，その条件検討を進めている．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初の計画通りに研究が進捗している．気相流通反応装置が順調に稼働し始めたので，最終年ではあるが研究の加速が期待できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度も触媒反応系のデザインに注力する．まず対象となる基質をフロン酸に限定する．二酸化炭素の流通反応装置を利用してフロン酸とこれまでに調製してきた固体触媒を混合して加熱することにより反応の進行を確認する．炭酸セシウムの添加効果も丁寧に検証する．添加する炭酸塩として，より汎用的なナトリウムやカリウムが利用かどうかも検証する．
二酸化炭素の活性化メカニズムを検討するため、二酸化炭素およびフルフラールをプローブ分子に利用した赤外分光分析を実施する．CH結合の活性化ステップや二酸化炭素吸着による炭酸塩の形成などを包括的に調査し，どのような活性化過程が期待できるのかを分子レベルで検討する．
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