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近年、地球温暖化に対する懸念から二酸化炭素(CO2)の有効利用が注目を集めている。また、自動車やポータブル用の燃料電池の普及とともに、より安全な水素利用のため水素貯蔵物質が注目されている。CO2の水素化により得られるギ酸は比較的高い水素含有率をもつ化学物質であり、常温で安定な液体であることから水素貯蔵材料として有望視されている。本研究では、CO2から効率的にギ酸を合成するための固体触媒の創製を目的とし、CO2吸着能を持つアミノポリマーとCO2水素化能を持つIrホスフィン錯体、および担体としてのメソ多孔体を複合化した機能集積型触媒の設計・合成を行った。
平成27年度に、アミノポリマーとIrホスフィン錯体を複合化することで複合化Irイミノホスフィン錯体を合成し、これがCO2からのギ酸生成反応に活性を示すことを示した。更にこれをチタン酸ナノチューブ細孔内に固定化することにより触媒活性と再利用性が著しく向上することを見出した。平成28年度は、X線や放射光を利用した測定により触媒活性種の局所構造・電子状態を分析し、ホスフィンに配位した電子リッチなIr(III)種が主たる活性点であることをつきとめた。また、反応前後におけるIr種の局所構造変化を追跡することで、反応中のIr－ヒドリド結合の形成と、これが近接したCO2に求核攻撃することでギ酸アニオンが生成する反応メカニズムが提案された。触媒活性とCO2吸着量の間には相関関係が認められたことから、高い塩基性を有する多孔質担体の探索についても行い、Naカチオンを含有する高塩基性チタン酸ナノチューブを担体に用いたときに高い触媒活性が発現することを見出した。開発した触媒は既存の均一系触媒と比べ高い触媒活性を有し、複数回に渡って再利用可能であることから、研究成果はCO2からのギ酸合成を目指す触媒開発において新たな知見と触媒設計指針を与えうる。
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