ホウ化水素シートを用いた新規触媒群の創出

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K18989
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 近藤 剛弘 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70373305)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• キーワード: 2次元物質 / ホウ化水素 / ボロファン / 硼素 / ボロン / 固体酸触媒

研究実績の概要

本研究の目的は，我々が世界で初めて単離生成を実現して2017年に論文発表した新規2次元物質であるホウ化水素（ボロファン）シート[J. Am. Chem. Soc. 139 (2017) 13761.]を用い，新しい触媒材料群を創出することです。ホウ化水素シートは二ホウ化マグネシウム（MgB2）のマグネシウム正イオンと水素の正イオンとをイオン交換して劈開することで生成したシート状の物質です。触媒作用において有利となる表面積が広いという特徴（理論最大値：4068 m2/g）があり，水素がプロトンとして物質内に存在しているため，固体酸の性質を示すという特徴があります。
本年度は昨年度に引き続き，ホウ化水素シートが示す固体酸触媒としての機能のメカニズムを赤外吸収分光で解析し，論文としてまとめました。具体的にはCD3CH2OHとCH3CD2OHという同位体エタノールを用いて赤外分光によるその場観察測定を行い，反応メカニズムの解析を行いました。この結果，エタノールのOH基がまずホウ化水素の水素原子と反応して脱水反応が起こった後，残ったエチル基のメチル部位の水素がホウ化水素によって脱水素反応を受けることでエチレンが形成されることが示されました。すなわち，エタノールの脱水反応はホウ化水素の水素を巻き込んだ反応であることがわかりました。さらに反応の律速が最後の脱水反応であることがアレニウス解析から明らかになりました。これらの結果をまとめた論文がPhysical Chemistry Chemical Physics誌に掲載されました。また，研究計画に沿ってホウ化水素の他の触媒機能の探索を行った結果，水素源がある状況下において二酸化炭素がメタンやエタンへと転換する炭素の水素化反応を低温条件下で起こすことを見出すことに成功しました。以上によりホウ化水素の触媒利用への今後の展開が大きく開けました。

研究成果

• [国際共同研究] CSIC(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: CSIC
• [雑誌論文] Ethanol?ethylene conversion mechanism on hydrogen boride sheets probed by in situ infrared absorption spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujino Asahi、Ito Shin-ichi、Goto Taiga、Ishibiki Ryota、Osuga Ryota、Kondo Junko N.、Fujitani Tadahiro、Nakamura Junji、Hosono Hideo、Kondo Takahiro
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 23 ページ: 7724～7734
  • DOI: 10.1039/D0CP03079A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemically Modified Borophene (2020)
  • 著者名/発表者名: Kondo Takahiro、Matsuda Iwao
  • 雑誌名: 2D Boron: Boraphene, Borophene, Boronene 巻: 0 ページ: 89～119
  • DOI: 10.1007/978-3-030-49999-0_5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diborane Concatenation Leads to New Planar Boron Chemistry (2020)
  • 著者名/発表者名: Oliva‐Enrich Josep M.、Kondo Takahiro、Alkorta Ibon、Elguero Jos?、Klein Douglas J.
  • 雑誌名: ChemPhysChem 巻: 21 ページ: 2460～2467
  • DOI: 10.1002/cphc.202000554
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Acid Assisted Synthesis of HB Sheets through Exfoliation of MgB2 Bulk in Organic Media (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawamura Reiya、Yamaguchi Akira、Shimada Chika、Ishibiki Ryota、Fujita Takeshi、Kondo Takahiro、Miyauchi Masahiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 1194～1196
  • DOI: 10.1246/cl.200203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen Boride Sheets as Reductants and the Formation of Nanocomposites with Metal Nanoparticles (2020)
  • 著者名/発表者名: Ito Shin-ichi、Hirabayashi Toru、Ishibiki Ryota、Kawamura Reiya、Goto Taiga、Fujita Takeshi、Yamaguchi Akira、Hosono Hideo、Miyauchi Masahiro、Kondo Takahiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 789～793
  • DOI: 10.1246/cl.200206
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen Generation Induced by Ultraviolet Light Irradiation on Hydrogen Boride Sheets (2020)
  • 著者名/発表者名: KONDO Takahiro、MIYAUCHI Masahiro
  • 雑誌名: Vacuum and Surface Science 巻: 63 ページ: 352～357
  • DOI: 10.1380/vss.63.352
  • 査読あり
• [雑誌論文] ホウ化水素シートの光機能─ 軽量・安全・光応答性の水素キャリア材料─ (2020)
  • 著者名/発表者名: 宮内 雅浩, 近藤 剛弘
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 55 ページ: 591～594
  • 査読あり
• [学会発表] Boron-based new two-dimensional materials: synthesis, characterization, and application (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kondo
  • 学会等名: 第60回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 炭素をドープしたホウ化水素シートの合成と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川村陸，藤本義隆，石引涼太，後藤大河，伊藤伸一，藤田武志，徳永智春，宮内雅浩，飯村壮史，山本明保, 斎藤晋，細野秀雄，近藤剛弘
  • 学会等名: 第14回物性科学領域横断研究会
• [学会発表] ホウ化水素シート上へのCO2の吸着と水素化反応 (2021)
  • 著者名/発表者名: 後藤大河，伊藤伸一，近藤剛弘
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] 炭素をドープしたホウ化水素シートの合成と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川村陸，藤本義隆，石引涼太，後藤大河，伊藤伸一，藤田武志，徳永智春，宮内雅浩，飯村壮史，山本明保，斎藤晋，細野秀雄，近藤剛弘
  • 学会等名: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [学会発表] Adsorption and Hydrogenation of CO2 on Heat-Treated Hydrogen Boride Sheets (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Goto, S. Ito, T. Kondo
  • 学会等名: 33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2020)
• [学会発表] ドープ量を制御した炭素ドープホウ化水素シートの合成と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川村陸，藤本義隆，石引涼太，後藤大河，伊藤伸一，藤田武志，徳永智春，宮内雅弘，飯村壮史，山本明保，斎藤晋，細野秀雄，近藤剛弘
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 新物質ホウ化水素シートの生成と機能 (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤剛弘
  • 学会等名: 東京大学物性研究所ワークショップ「ナノスケール物性科学の最先端と新展開」
  • 招待講演