多電子輸送制御に基づく生体機能模倣型酸素発生触媒の開発

• 研究課題/領域番号: 26288092
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: エネルギー関連化学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 中村 龍平 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (10447419)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円); 2016年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2015年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2014年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 人工光合成 / 水素 / 水分解 / 生体模倣 / 電子移動 / 電極触媒 / 水素製造 / 再生可能エネルギー

研究成果の概要

生体マンガン触媒と人工マンガン触媒の酸素発生反応の活性の違いが、Mn3＋反応中間体の安定性の違いに由来するとの仮説を立て、人工触媒の高機能化に取り組んだ。Mn3+の安定化するための手法として協奏的な電子プロトン移動に着目することで、中性のpH環境で触媒活性が大幅に向上することを実証した。また、触媒の結晶面の制御、ならびに微粒子化によりMn3+が特異的に安定化され、活性が向上することを見出した。さらに、貴金属触媒の酸素発生メカニズムとマンガン触媒のメカニズムを比較することで、反応中間体のスピン状態制御が普遍元素を用いた触媒開発のカギとなることを示した。

研究成果

• [雑誌論文] Element strategy of oxygen evolution electrocatalysis based on in situ spectroelectrochemistry (2017)
  • 著者名/発表者名: Hideshi Ooka, Toshihiro Takashima, Akira Yamaguchi, Toru Hayashi and Ryuhei Nakamura
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 印刷中 号: 53 ページ: 7149-7161
  • DOI: 10.1039/c7cc02204b
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 2．Mn酸化物の特異な電気化学的挙動から見えてきた高活性酸素発生触媒の創製への指針 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高嶋敏宏、山口晃、橋本和仁、中村龍平
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 85 号: 1 ページ: 34-39
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.85.34
  • NAID: 130005180907
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic Investigation of Water Oxidation Catalyzed by Uniform, Assembled MnO Nanoparticles (2017)
  • 著者名/発表者名: Kyoungsuk Jin, Hongmin Seo, Toru Hayashi, Mani Balamurugan, Donghyuk Jeong, Yoo Kyung Go, Jung Sug Hong, Kang Hee Cho, Hirotaka Kakizaki, Nadede Bonnet-Mercier, Min Gyu Kim, Sun Hee Kim, Ryuhei Nakamura, and Ki Tae Nam
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 139 号: 6 ページ: 2277-2285
  • DOI: 10.1021/jacs.6b10657
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Stability of organic compounds on the oxygen-evolving center of photosystem II and manganese oxide water oxidation catalysts (2016)
  • 著者名/発表者名: Toru Hayashi, Akira Yamaguchi, Kazuhito Hashimoto, Ryuhei Nakamura
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 52 号: 95 ページ: 13760-13763
  • DOI: 10.1039/c6cc07092b
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Legitimate Intermediates of Oxygen Evolution on Iridium Oxide Revealed by In situ Electrochemical Evanescent Wave Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Hideshi Ooka,Yuanqing Wang, Akira Yamaguchi, Makoto Hatakeyama, Shinichiro Nakamura, Kazuhito Hashimoto, Ryuhei Nakamura
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 18 号: 22 ページ: 15199-15204
  • DOI: 10.1039/c6cp02385a
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 二酸化炭素を用いた高機能マンガン系水酸化触媒の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口晃、森翔瑚、橋本和仁、中村龍平
  • 雑誌名: 光触媒 巻: 47 ページ: 20-23
• [雑誌論文] Regulating Proton-Coupled Electron Transfer for Efficient Water Splitting by Manganese Oxides at Neutral pH (2014)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamaguchi, Riko Inuzuka, Toshihiro Takashima, Toru Hayashi, Kazuhito Hashimoto and Ryuhei Nakamura
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 5 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms5256
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] プロトン共役電子移動制御による中性pH駆動型のMn系酸素発生触媒の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中村龍平
  • 雑誌名: 触媒 巻: 56 ページ: 214-218
  • 査読あり
• [雑誌論文] 水分解触媒のための元素戦略 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大岡英史、山口晃、橋本和仁、中村龍平
  • 雑誌名: 化学工業 巻: 65 ページ: 15-20
  • 査読あり
• [学会発表] Bioenergetic Restrictions on the Gene Structures of Photosynthetic and Respiratory Enzymes (2016)
  • 著者名/発表者名: 大岡英史、中村龍平
  • 学会等名: 2016 SNU Solar Fuel Material Forum
  • 発表場所: ソウル大学校（韓国、ソウル）
  • 年月日: 2016-05-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 生体機能模倣による水酸化電極触媒の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村龍平
  • 学会等名: 応用物理学会エネルギーシステム研究会セミナー
  • 発表場所: 宮古島マリンターミナル会議室
  • 年月日: 2015-09-09
  • 招待講演
• [学会発表] Multi-Electron/Proton Transfer Chemistry Involved in Water Oxidation by MnO2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Nakamura
  • 学会等名: The 11th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2015-08-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 4電子水酸化反応：生体酵素と人工触媒の相違 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村龍平
  • 学会等名: 学振181委員会研究会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2015-07-07
  • 招待講演
• [学会発表] Insight into water oxidation by manganese oxides (2014)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Nakamura
  • 学会等名: 2014 International Conference on Artificial Photosynthesis
  • 発表場所: 兵庫県淡路市 淡路夢舞台国際会議場
  • 年月日: 2014-11-24 – 2014-11-28
  • 招待講演
• [図書] 1.Water Splitting using Electrochemical Approach, Chapter 4.3.1., Solar to Chemical Energy Conversion; Theory and Application (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Yamaguchi, T. Takashima, K. Hashimoto, and R. Nakamura
  • 総ページ数: 489
  • 出版者: Springer
• [備考]
  • URL: http://rnakamura-lab.riken.jp/index.html