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水素は、石油資源に代替するクリーンな次世代エネルギーとして注目されている。一方で、極端に低い体積当たりのエネルギー密度や安全性の観点から、高密度かつ安全な水素の貯蔵方法が求められている。当該研究では高い水素貯蔵密度を有するギ酸に注目し、ギ酸の合成や分解による水素の貯蔵や放出を駆動する触媒の高性能化を行っている。
当該年度は、水素の貯蔵反応であるギ酸合成反応について、固体触媒表面に修飾された塩基性官能基の影響について調査した。まず、塩基を有する分子からポリマー状の担体を合成することで、数種の塩基のみが異なる修飾量で含有された担体の合成を行い、そこに触媒金属であるPdの合金を担持した触媒を作製した。元素分析とXPSから、それぞれの触媒の各塩基種の含有量を算出し、触媒活性との関係性を調査すると、担体中のフェニルアミン官能基の修飾量の増加に伴って活性が向上する相関関係が得られた。また、DFT計算においても、Pdとフェニルアミン基の協奏サイトが高活性な反応サイトとして機能することを見出した。
次に、より低環境負荷な反応条件でのギ酸合成反応を試みた。既存の報告では、CO2の活性化の難しさや、溶解度の低さから、塩基性溶媒下でのギ酸合成反応を行っていた。一方で、ギ酸として取り出すためには、中和のプロセスが必要となってしまい、多大な熱や塩の発生が問題となる。そこで、純水を溶媒とする条件でのギ酸合成反応の高活性化を志向した。本反応条件では親水的な表面と塩基性官能基によるCO2の吸着が重要であると考え、Nを含有したシリカとポリマーの複合担体を作製し、そこに触媒金属であるPdの合金を担持した触媒を作製した。数種合成した触媒の中で、室温付近でCO2との高い親和性を示す触媒が非常に高い活性を示すことを見出した。これは、溶解度の低い純水中では、室温付近で溶解性と活性のバランスが良いことが理由だと考えられる。
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