| 研究領域 | 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製 |
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| 研究課題/領域番号 |
20H05088
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| 研究種目 |
新学術領域研究(研究領域提案型)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
複合領域
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
庄司 光男 筑波大学, 計算科学研究センター, 助教 (00593550)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 量子古典混合計算(QM/MM) / 量子化学計算(QM) / 酸素発生中心(OEC) / マンガン(Mn) / 鉄(Fe) / コバルト(Co) / ルテニウム(Ru) / 光合成 / 水分解反応 / 人工光合成 / 反応機構 / 酸素発生中心 / 光化学系II / ラジカル / プロトン移動 / コンフォメーション / 一電子移動 / Ru錯体 / 水分解 / 酸素発生 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では2020年度に人工系（Ru触媒、半導体系(BiVO4, TiO2)）における水分解酸素発生機構を理論解析し、活性種の電子状態、構造を明確にする。自然系のPSIIとの違いを明確にすることで、改善点を明らかにする。2021年度には人工系(Ru錯体)を理論モデリングにより、より優れた（低過電圧、反応速度の向上,遷移金属置換）人工光合成触媒を設計する。班間の研究連携を積極的に進め、自然系のPSIIを手掛かりにして人工系の性能向上に取り組む。
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| 研究実績の概要 |
新学術領域内で連携研究を実施し、自然系の光合成水分解酸素発生の仕組みを解明し、その知見を人工光合成の発展に役立てる研究を実施した。具体的には(1)杉浦美羽先生との連携による、光化学系II変異体での酸素発生中心の構造と反応機構の変化についての理論解析、(2)和田亨先生との連携による、新規Ru錯体での酸素発生機構の理論解明、(3)佐山和弘先生、山下晃一先生との連携による、自然系でMn原子が利用された根本的原因の解明、(4)八木政行先生、坪ノ内優太先生との連携による、金属酸化物触媒の機構解析を進めた。
各課題の進捗については(1)QM/MM-MDを実施し、アミノ酸変異に対する構造変化、主に変異アミノ酸、水分子、について理論解明することができている。水素結合の変化により、脱プロトン化やclosed cubaneとopen cubaneの相対安定性にも影響を与えることが示された。(2)新規Ru錯体全体の大規模QM計算を実施し、酸素発生に関わる全ての素反応を解明し、特有の反応機構を見出している。(3)系を簡略化することで、金属置換を可能にし、Mn原子のみが持つ反応選択性について計算で示すことができた。簡略化モデルでも酸素生成過程は自然系(PSII-OECのS４状態)と同じく, Mn(IV)-O-O-Mn(IV)種を経由する反応機構が得られたことでモデルの妥当性が確認出来ている。(4)研究打ち合わせを実施し、理論解析を進めている段階である。
全ての課題について論文出版するに至っていないが、引き続き論文化を進めており、早期に論文化する。理論研究により解明された、自然系、人工系全てに適用できる効率的水分解酸素発生反応機構について、その本質的分子メカニズムについて報告する。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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