金属－非金属合金ナノ粒子触媒の開発とリグノセルロース高効率水素化分解への応用

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K04776
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山口 渉 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (50700150)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 金属ナノ粒子 / リン化ニッケル / 水素化反応 / 協奏的触媒作用 / グルコース / 糖

研究実績の概要

グルコース還元は、甘味料や化粧品、ファインケミカル等の多様な用途が存在するソルビトールを得る重要な反応である。申請者は、層状複水酸化物であるハイドロタルサイトにnano-Ni2Pを分散担持した触媒（nano-Ni2P/HT）を開発し、世界で初めて非貴金属触媒による常温または常圧水素下でのグルコースの高効率な還元反応を実現した。nano-Ni2P/HTの触媒回転数（TON=852）は、世界最高値を示し、既存の工業触媒であるRaney Niに比べ800倍以上高く、貴金属触媒であるRu/Cをも上回る。また、グルコース以外の単糖（キシロース→キシリトール）および二糖（マルトース→マルチトール）の還元反応においても、既存の触媒を凌駕する世界最高活性を示し、糖類の還元に対する本触媒の高い一般性を明らかにした。さらに、本触媒は実用的な観点から重要な高濃度の糖水溶液（50 wt%）にも適用でき、反応後の触媒は高活性を維持したまま再使用が可能である。nano-Ni2P/HTはRaney Niとは異なり、発火性がなく、予備還元も不要である。したがって、nano-Ni2P/HT触媒による糖還元は、高活性・耐久性・安全性を兼ね備えた次世代型触媒反応系といえる。また、種々の構造解析により、応募者はこの高い触媒性能の発現が、nano-Ni2PとHTとの複合界面において、水素分子および糖のカルボニル基をそれぞれ活性化する「協奏的触媒作用」に基づくことを明らかにした。これまでに、リン化金属と担体との著しい協奏効果およびその触媒駆動原理を明らかにした例はない。

研究成果

• [雑誌論文] Reductive amination of carboxylic acids under H2 using a heterogeneous Pt-Mo catalyst (2024)
  • 著者名/発表者名: Sakoda Katsumasa、Yamaguchi Sho、Honjo Kazuki、Kitagawa Yasutaka、Mitsudome Takato、Mizugaki Tomoo
  • 雑誌名: Green Chemistry 巻: 26 ページ: 2571～2576
  • DOI: 10.1039/D3GC02155F
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nickel Carbide Nanoparticle Catalyst for Selective Hydrogenation of Nitriles to Primary Amines (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Sho、Kiyohira Daiki、Tada Kohei、Kawakami Taiki、Miura Akira、Mitsudome Takato、Mizugaki Tomoo
  • 雑誌名: Chemistry A European Journal 巻: 30 ページ: e202303573 1-7
  • DOI: 10.1002/chem.202303573
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Highly Active and Sulfur-Tolerant Ruthenium Phosphide Catalyst for Efficient Reductive Amination of Carbonyl Compounds (2024)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Hiroya、Yamaguchi Sho、Mizugaki Tomoo、Mitsudome Takato
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 14 ページ: 4501～4509
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c06179
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Robust Ruthenium Phosphide Catalyst for Hydrogenation of Sulfur-Containing Nitroarenes (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Hiroya、Nakatani Naoki、Yamaguchi Sho、Mizugaki Tomoo、Mitsudome Takato
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 13 ページ: 5744～5751
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c00128
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Iron phosphide nanocrystals as an air-stable heterogeneous catalyst for liquid-phase nitrile hydrogenation (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuda Tomohiro、Sheng Min、Ishikawa Hiroya、Yamazoe Seiji、Yamasaki Jun、Hirayama Motoaki、Yamaguchi Sho、Mizugaki Tomoo、Mitsudome Takato
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 5959
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41627-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Efficient Protosilylation of Unsaturated Compounds with Silylboronates over a Heterogeneous Cu3N Nanocube Catalyst (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizugaki Tomoo、Xu Hang、Yamaguchi Sho、Mitsudome Takato
  • 雑誌名: Synlett 巻: 34 ページ: A-E
  • DOI: 10.1055/a-2191-5906
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ニトリル水素化反応を促進する炭化ニッケルナノ粒子触媒の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 山口渉 ・川上大輝・多田幸平・三浦章・満留敬人・水垣共雄
  • 学会等名: 第133回触媒討論会
• [学会発表] 天然炭素資源からの有用化学品合成に向けた協奏機能触媒の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 渉
  • 学会等名: 23 年度「触媒学会・触媒工業協会交流サロン」
• [学会発表] 天然炭素資源から有用化学品への効率的変換に向けた多元素協働触媒の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 渉
  • 学会等名: 2023年度 JPIJS講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 協奏機能非貴金属触媒を用いた糖類の高効率変換反応の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 渉
  • 学会等名: 第132回触媒討論会
• [学会発表] Development of a Novel Strategy for Efficient Catalytic Conversion of Biomass-derived Sugars into Important Chemicals (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 渉
  • 学会等名: The 3rd Thailand Biorefinery Symposium (TBioS-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Efficient Transformation of Carboxylic Acid Derivatives into Important Chemicals over Heterogeneous PtーMo Catalysts (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 渉
  • 学会等名: Benign by design green materials through heterogeneous catalysis
  • 国際学会 / 招待講演