| 研究課題/領域番号 |
18K05159
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| 研究機関 | 神奈川大学 |
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研究代表者 |
松原 康郎 神奈川大学, 工学部, 助教 (90616666)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | CO2還元 / 電気化学 / 二酸化炭素 / 分子触媒 / 金属錯体 / 標準電極電位 |
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| 研究実績の概要 |
二酸化炭素(CO2)の還元反応は、温室効果ガスとしてのCO2の固定化だけでなく、根本原因である石油依存社会からの脱却のための資源化反応として注目を集めている。例えば、CO2を電気化学的に一酸化炭素(CO)などのC1化合物へと還元する反応は、再生可能エネルギーを化学資源に変換する要素技術として重要視されている。
しかし、バルク電気分解法といった実用上重要な方法において、有用な速度で還元反応を起こすために必要な過電圧(駆動電圧と平衡電位との差)は依然として高いことが課題となっている。そのため超低過電圧駆動の錯体触媒が世界的に研究されており、またマンガンなどの普遍元素を用いた研究も盛んである。一方で、過電圧評価に必要な平衡電位の算出法については研究者間のコンセンサスがとれておらず、現状では算出の基準となる標準電極電位も整備されていないという問題も未解決である。正確な平衡電位の算出は今後のCO2還元反応の研究基盤、特に超低過電圧駆動領域における触媒性能の評価に不可欠である。
これに対し研究代表者らは、イオン液体の構成分子であるイミダゾリウムが既存のCO2還元錯体触媒に対して有用な添加剤(助触媒)として働くことを発見し、そのCO2活性化手法としての有用性を検討してきた。2018年度は、イミダゾリウムを金属錯体の配位子として固定化する方法を検討し、これによって新規合成した分子を配位子とするマンガン錯体の単離合成に成功した。電気化学特性を検討した結果、このマンガン錯体でもイミダゾリウムによる助触媒効果が発現することを見出した。また、平衡電位を算出するための理論的枠組みを構築することができた。
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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
本研究では、まず、実験量を基にした信頼性の高い反応速度-過電圧相関解析法を構築し、これによってマンガン(I)錯体触媒の電子構造・立体構造(置換基効果)と触媒の性能(反応速度と過電圧)との固有の相関ラインを明らかにすることにより、世界最高の反応速度-低過電圧で駆動するCO2 還元マンガン錯体触媒を開発することを計画している。
初年度(2018年度)は、次の2つの観点から研究を実施した: (1) 相関解析に基づく最高性能触媒の開発と、(2) 反応速度-過電圧相関解析法の構築である。前者の検討では、イミダゾリウムを錯体の第2配位圏に複数導入すると触媒作用に大きな影響がもたらされるということを見出すことができた。また、後者の検討では、先行研究(若手研究B: 16K17883)で速報として報告したアセトニトリル-水混合溶媒中での標準電極電位に続き、電気化学研究でよく用いられるもう一つの有機溶媒――N,N-ジメチルホルムアミドと水との混合溶媒中での電極電位を測定することにも成功した。現在、これらの結果を総括した論文が審査中である。これらのことから、概して全体を評価すると進捗状況としては「おおむね順調」であるといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
2019年度は、前年度に引き続き、(1) 相関解析に基づく最高性能触媒の開発と、(2) 反応速度-過電圧相関解析法の構築という2つの観点から研究に取り組む。前者に関しては、前年度に見出したイミダゾリウムによる助触媒効果を最大化できるような新規配位子の合成に取り組む。また、イミダゾリウム以外のカチオン性置換基でも触媒作用に良い効果があることがわかったので、今年度は、これらの効果を定量化できるような配位子の開発に取り組む。後者に関しては、これまでに電気化学研究でよく用いられる2つの有機溶媒(アセトニトリルとN,N-ジメチルホルムアミド)での標準電極電位を測定することに成功していることから、これらの結果を補完・完成させるような熱力学量の測定に取り組む。例えば、CO2還元でよく用いられる種々のBronsted酸の酸性度の測定である。酸性度が低すぎて測定が難しいものもあるが、実際の電解条件におけるpHを評価するなどの代替方法を検討する。
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