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2019 年度 実績報告書

二酸化炭素・バイオマスの還元的化学資源化に資する金属/酸化物界面反応場設計

研究課題

研究課題/領域番号 17H01341
研究機関北海道大学

研究代表者

清水 研一  北海道大学, 触媒科学研究所, 教授 (60324000)

研究分担者 古川 森也  北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (10634983)
Siddiki Hakim  北海道大学, 触媒科学研究所, 特任助教 (60722650)
鳥屋尾 隆  北海道大学, 触媒科学研究所, 助教 (80775388)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
キーワード触媒 / バイオマス / 二酸化炭素 / 水素化 / 反応機構
研究実績の概要

天然物から直接入手できる炭素資源および,CO2から製造可能な炭素源を入手容易な軽分子と反応させて,化学品を選択的に合成する下記反応(1)~(8)の構築を目的として研究を継続した。(1) カルボン酸水素化によるアルコール合成。(2) カルボン酸(油脂)水素化によるアルカン合成。(3) メタノールをメチル化剤に用いたサステナブルなC-C結合形成。(4) レブリン酸とニトリルからのラクタム合成。(5) 油脂、NH3からのアミド合成。(6) 油脂、NH3からのニトリル合成。(7) 油脂、NH3、水素からのアミン合成。(8) CO2水素化によるメタノール合成。2017年度には,(2),(4),(3)に有効な触媒を発見し論文報告した。2018年度は,反応(1),(3),(5),(6),(7),(8)に有効な触媒に関する成果を論文発表した。2019年度は,反応(8)に有効な触媒を発見するとともに、反応(1),(7),(8)に関して反応機構と構造活性相関の研究を行い、その成果を論文にて報告した。具体的には, CO2水素化によるメタノール合成に有効な2つの触媒(Pt-MoOx/TiO2とRe/TiO2)を発見した。いずれの触媒系も150℃の低温で選択的にCO2をメタノールに変換する点が新規である。なかでもPt-MoOx/TiO2は最も活性が高く、150℃での平衡転化率に近いメタノール収率(73%)を示した。水素還元により低原子価状態となったMo酸化物上の酸素欠陥がCO2の活性化に重要な役割を担うことが示唆された。Re/TiO2の水素加圧下でのカルボン酸の水素化においては、金属状態のReナノ粒子と4価のRe酸化物の共存状態が重要であることと、TiO2担体はReの粒子径を小さくすることとReを上記の酸化状態に保つために重要な役割を担うことを明らかにした。ゼオライト触媒のトリグリセリド変換に対して、触媒の疎水性と強酸量の両方が重要な活性支配因子であることを明確化した。

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

計画書に記載したターゲット反応(1)~(8)の各々すべてに対して有効な触媒系の開発に成功した。反応機構や活性点構造などの基礎的な研究も順調に進んだ。上記の成果を学会発表だけでなく論文にて報告した。

今後の研究の推進方策

2017-2019年度には計画書に記載したターゲット反応(1)~(8)の各々すべてに対して有効な触媒系の開発に成功し、反応機構と構造活性相関の研究を行った。2020年度は反応機構と構造活性相関の研究を総括し、活性支配因子の解明と触媒設計指針の構築を行う。成果は極力、今年度中に論文に投稿する。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] High-silica Hβ zeolite catalyzed methanolysis of triglycerides to form fatty acid methyl esters (FAMEs)2020

    • 著者名/発表者名
      Md. A.R. Jamil, Abeda Sultana Touchy, Sharmin Sultana Poly, Md. Nurnobi Rashed, S.M.A. Hakim Siddiki, Takashi Toyao, Zen Maeno, Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      Fuel Processing Technology

      巻: 197 ページ: 106204

    • DOI

      10.1016/j.fuproc.2019.106204

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Acetalization of glycerol with ketones and aldehydes catalyzed by high silica Hβ zeolite2019

    • 著者名/発表者名
      Sharmin Sultana Poly, Md. A. R. Jamil, Abeda S. Touchy, Shunsaku Yasumura, S. M. A. Hakim Siddiki, Takashi Toyao, Zen Maeno, Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      Molecular Catalysis

      巻: 479 ページ: 110608

    • DOI

      10.1016/j.mcat.2019.110608

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanistic study of the selective hydrogenation of carboxylic acid derivatives over supported rhenium catalysts2019

    • 著者名/発表者名
      Takashi Toyao, Kah Wei Ting, S. M. A. Hakim Siddiki, Abeda S. Touchy, Wataru Onodera, Zen Maeno, Hiroko Ariga-Miwa, Yasuharu Kanda, Kiyotaka Asakura and Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      Catal. Sci. Technol.

      巻: 9 ページ: 5413-5424

    • DOI

      10.1039/C9CY01404G

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Heterogeneous Pt and MoOx Co-Loaded TiO2 Catalysts for Low-Temperature CO2 Hydrogenation To form CH3OH2019

    • 著者名/発表者名
      Takashi Toyao, Shingo Kayamori, Zen Maeno, S. M. A. Hakim Siddiki, and Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      ACS Catal. 2019

      巻: 9 ページ: 8187-8196

    • DOI

      10.1021/acscatal.9b01225

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Phenolysis Reactions of Unactivated Amides into Phenolic Esters Promoted by a Heterogeneous CeO2 Catalyst2019

    • 著者名/発表者名
      Md. Nurnobi Rashed, S.M.A.H. Siddiki, Abeda S. Touchy, Md. A. R. Jamil, Sharmin S. Poly, Takashi Toyao, Zen Maeno, Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      Chem. Eur. J.

      巻: 25 ページ: 10594-10605

    • DOI

      10.1002/chem.201901446

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low-Temperature Hydrogenation of CO2 to Methanol over Heterogeneous TiO2-Supported Re Catalysts2019

    • 著者名/発表者名
      Kah Wei Ting, Takashi Toyao, S.M.A.H. Siddiki, Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      ACS Catalysis

      巻: 9 ページ: 3685-3693

    • DOI

      10.1021/acscatal.8b04821

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Selective Transformations of Triglycerides into Fatty Amines, Amides, and Nitriles by using Heterogeneous Catalysis2019

    • 著者名/発表者名
      Md. A. R. Jamil, S. M. A. Hakim Siddiki, Abeda Sultana Touchy, Md. Nurnobi Rashed, Sharmin Sultana Poly, Yuan Jing, Kah Wei Ting, Takashi Toyao, Zen Maeno, Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      ChemSusChem

      巻: 12 ページ: 3115-3125

    • DOI

      10.1002/cssc.201900365

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lewis Acid Catalysis of Nb2O5 for Reactions of Carboxylic Acid Derivatives in the Presence of Basic Inhibitors2019

    • 著者名/発表者名
      , S. M. A. Hakim Siddiki, Md. Nurnobi Rashed, Md. A. Ali, Takashi Toyao, Pussana Hirunsit, Masahiro Ehara, Ken-ichi Shimizu
    • 雑誌名

      ChemCatChem

      巻: 11 ページ: 383-396

    • DOI

      10.1002/cctc.201801239

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Heterogeneous catalysis for selective transformations of alcohols, carboxylic acid derivatives and CO22019

    • 著者名/発表者名
      清水研一
    • 学会等名
      IUPAC 2019, Paris, France
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ceria-catalyzed transformations of amides, esters, and nitriles2019

    • 著者名/発表者名
      清水研一
    • 学会等名
      ACS Fall 2019 National Meeting, San Diego, USA
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 触媒材料研究部門

    • URL

      http://www.cat.hokudai.ac.jp/shimizu/index.html

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公開日: 2021-01-27  

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