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2011 年度 実施状況報告書

鉄鋼スラグを原料とした固体酸塩基触媒の合成とグリーンケミストリーへの応用

研究課題

研究課題/領域番号 23656511
研究機関大阪大学

研究代表者

山下 弘巳  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40200688)

研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2013-03-31
キーワード酸触媒 / 塩基触媒 / 固体酸塩基触媒 / 鉄鋼スラグ / バイオディーゼル合成 / CO2固定化 / In-situ測定 / ハイドロタルサイト
研究概要

1)バイオディーゼル合成反応・CO2固定化反応の固体酸塩基触媒としての応用: 鉄鋼スラグを原料として得られた層状複水酸化物が、Knoevenagel縮合反応、酸素を酸化剤としたアルキル芳香族の部分酸化反応、エステル交換反応、植物油からのバイオディーゼル合成反応など、種々の触媒反応に高活性を有し、廃棄物を原料としているにも関わらず有用な多機能性触媒として利用可能であることを明らかにした。特に、触媒合成条件や反応条件の最適化を行うと共に、遊離脂肪酸が多く含まれる廃油などからもバイオディーゼル合成が可能であることを確認した。また、類似のハイドロタルサイト(Mg6Al2(OH)16CO3・4H2O)は合成条件の最適化と焼成処理を施すことにより、酸塩基両機能性が発現し、CO2とエポキシドからの環状カーボネート合成に活性を示すことが知られている。鉄鋼スラグを原料として合成した層状複水酸化物は、これよりも優れた酸塩基性を有することから、上記のCO2固定化反応などに有用な触媒であることを見出した。 2)XAFS測定による遷移金属種の局所構造解析と反応ダイナミクスの評価: 鉄鋼スラグ中に含まれるFeやMnなどの不純物遷移金属元素の存在により、1) 固体酸塩基性が向上すること、2) 空気中の二酸化炭素による被毒量が極めて軽減され大気中で保存しても高い活性が維持されること、を見出した。放射光XAFSなどを利用し、触媒構造内に含まれるスラグ成分由来遷移金属元素の局所構造を反応物質共存下やCO2雰囲気下でのin-situ状態で測定解析を行い、活性点構造を明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

鉄鋼スラグを原料として層状複水酸化物が予想以上に容易に調製でき、安定な構造と触媒作用を示したため、順調に研究を進めることができたため。

今後の研究の推進方策

1)新規合成プロセスの導入による、酸塩基両機能性触媒の創成: 鉄鋼スラグは興味深い特徴ある化学組成を有しており、新規変換プロセスを導入することで、廃棄物からでも有用かつユニークな化学・触媒特性を持った物質を合成できると考えられる。例えば界面活性剤を用いることで、自己組織化を利用したマイクロ・メソ多孔体の創成や高表面積化が図れる。さらに、スラグ中には塩基性元素(Ca, Mg)、酸性元素(Si)、および触媒活性金属元素(Ti, Fe, Mn)が含まれているため、これまでにない新ルートでのケイ酸カルシウム類などの酸塩基両機能性触媒の合成への展開などを行う。 2)金属触媒担体としての利用: スラグから合成されたハイドロタルサイト様化合物は、貴金属触媒の触媒担体としても利用されている。ポストシンセシス的な手法として、合成したハイドロタルサイト様化合物にV, Cu, Pd, Pt, Ru, Auなどの触媒活性金属種をイオン交換的手法もしくはナノ粒子として取り込み、ユニークな反応場を提供する触媒担体としての利用法についても検討する。

次年度の研究費の使用計画

実験計画に沿った研究経費を以下に示す。今年度の繰越研究費(183,701円)および次年度の研究費(1,700,000円)については、以下の使用を計画している。 1)鉄鋼スラグを原材料とする新規触媒の調製と反応:消耗品の試料調製用試薬(403,701円)、ガラス器具(300,000円)が必要。 2) 構造解析: 種々の分光手法を用い試料の構造解析をするため、比表面積細孔分布測定装置、元素分析、フォトルミネッセンス, TEM, FE-SEM, Raman, XRD, XPS, XAFS、SQUID, Mössbauer などは、既設であるか借用が可能。XAFS測定は高エネ研(つくば)で行うため国内旅費(100,000円)が必要。試料調製と構造解析には、研究代表者研究室所属の大学院生の実験補助(200,000円)が必要。構造解析に計算機使用(200,000円)が必要。 3)成果発表:上記研究の成果発表として外国旅費(触媒国際会議(ミュンヘン)参加渡航費、環境触媒国際会議(リヨン)参加渡航費)(680,000円)を必要。以上より、物品費(薬品、ガラス器具)703,701円、旅費(外国旅費、国内旅費)780,000円、人件費・謝金(実験補助)200,000円、その他(計算機使用)200,000円を使用する。

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2012 2011

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (15件) 図書 (5件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] TiO2 photocatalyst for degradation of organic compounds in water and air supported on highly hydrophobic FAU zeolite: Structural, sorptive, and photocatalytic stud2012

    • 著者名/発表者名
      Y.Kuwahara, J.Aoyama, K.Miyakubo, T.Eguchi, T.Kamegawa
    • 雑誌名

      Journal of Catalysis

      巻: 285 ページ: 223-234

    • DOI

      10.1016/j.jcat.2011.09.031

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design of Macroporous TiO2 Thin Film Photocatalysts with Enhanced Photofunctional Properties2011

    • 著者名/発表者名
      T.Kamegawa, N.Suzuki, and H.Yamashita
    • 雑誌名

      Energy & Environmental Science

      巻: 4 ページ: 1411-1416

    • DOI

      10.1039/C0EE00389A

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Active Site Design in a Core-Shell Nanostructured Catalyst for a One-Pot Oxidation Reaction2011

    • 著者名/発表者名
      S.Okada, K.Mori, T.Kamegawa, and H.Yamashita
    • 雑誌名

      Chemistry-A European Journal

      巻: 17 ページ: 9047-9051

    • DOI

      10.1002/chem.201101241

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Size Controlled Deposition of Ag Nanoparticles on Alumina by the Assist of Photo-induced Chromic Reaction and Study of Their Catalysis2011

    • 著者名/発表者名
      K. Mori, A. Kumami, H. Yamashita
    • 雑誌名

      Physical Chemistry & Chemical Physics

      巻: 13 ページ: 15821-15824

    • DOI

      10.1039/C1CP21508F

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement in Adsorption Property and Catalytic Activity of Enzymes Immobilized on Phosphorus and Calcium Modified MCM-412011

    • 著者名/発表者名
      Y. Kuwahara, T. Yamanishi, T. Kamegawa, K. Mori, H. Yamashita
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry B

      巻: 115 ページ: 10335-10345

    • DOI

      10.1021/jp203632g

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhanced Catalytic Activity on Titanosilicate Molecular Sieves Controlled by Cation-π Interactions2011

    • 著者名/発表者名
      Y.Kuwahara, K.Nishizawa, T.Nakajima, T.Kamegawa, K.Mori, and H.Yamashita
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 133 ページ: 12462-12465

    • DOI

      10.1021/ja205699d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Controlled Synthesis and Surface Hydrophilic Properties of Ti-Containing Mesoporous Silica Thin Films Using Various Structure-Directing Agents2011

    • 著者名/発表者名
      Y.Horiuchi, H.Ura, T.Kamegawa, K.Mori, and H.Yamashita
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry C

      巻: 115 ページ: 15410-15415

    • DOI

      10.1021/jp202833z

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photo-Induced Aerobic Oxidation Driven by Phosphorescence Ir(III) Complex Anchored to Mesoporous Silica2011

    • 著者名/発表者名
      K.Mori, M.Tottori, K.Watanabe, M.Che, H.Yamashita
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry C

      巻: 115 ページ: 21358-21362

    • DOI

      10.1021/jp208357e

    • 査読あり
  • [学会発表] カチオン-π相互作用を利用したチタノシリケート酸化触媒上における触媒活性の向上2012

    • 著者名/発表者名
      桑原泰隆、亀川孝、森浩亮、山下弘巳
    • 学会等名
      第109回触媒討論会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス(東京)
    • 年月日
      2012年3月28日
  • [学会発表] ナノ多孔体を利用するシングルサイト光触媒の設計と応用2012

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      第10回太陽エネルギー化学研究センターシンポジウム(招待講演)
    • 発表場所
      大阪大学大学院基礎工学研究科J棟共用セミナー室(大阪)
    • 年月日
      2012年2月3日
  • [学会発表] Efficient One-pot Oxidation Reaction by Designing Pd/SiO2@Ti-containing Mesoporous Silica Core-shell Catalyst2012

    • 著者名/発表者名
      Shusuke Okada, Hiromi Yamashita,Shohei Ikurumi,Takashi Kamegawa, Kohsuke Mori
    • 学会等名
      The 13th International Symposium on Eco-materials Processing and Design(ISEPD2012)(招待講演)
    • 発表場所
      Lijiang Hotel(Guilin,China)
    • 年月日
      2012年1月8日
  • [学会発表] Applications of Single-site Photocatalysts Designed Using Nanoporous Materials2011

    • 著者名/発表者名
      Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      The 6th National Conference on Environmental Chemistry(招待講演)
    • 発表場所
      Shanghai University(Shanghai,China)
    • 年月日
      2011年9月23日
  • [学会発表] ナノ構造制御によるマテリアルの創成と新規機能探索:光触媒・ナノ触媒・光機能薄膜への応用2011

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      第2回ナノ理工学情報交流会(招待講演)
    • 発表場所
      大阪大学・基礎工学研究科G棟508号室(大阪)
    • 年月日
      2011年8月3日
  • [学会発表] Silica Core-Supported Pd Nanoparticles Covered with Ti-ContainingMesoporous Shell:An Efficient Nanocatalyst for One‐Pot Oxidation Reaction2011

    • 著者名/発表者名
      Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      EuropaCat X
    • 発表場所
      Glasgow University(Glasgow,UK)
    • 年月日
      2011年8月29日
  • [学会発表] シングルサイト触媒・光触媒の設計と応用2011

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      活躍するナノ触媒-21世紀の人間生活を豊かにする小さな主役ー(招待講演)
    • 発表場所
      神戸大学百年記念館(兵庫)
    • 年月日
      2011年7月8日
  • [学会発表] シングルサイト光触媒の設計と応用2011

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      第196回応用セラミックス研究所講演会・第28回ソフト溶液プロセス研究会講演会(招待講演)
    • 発表場所
      東京工業大学(東京)
    • 年月日
      2011年7月20日
  • [学会発表] Design of Single-site Ti-containing Hierarchical Porous Silica Materials with Enhanced Catalytic Performances2011

    • 著者名/発表者名
      Takashi Kamegawa, Norihiko Suzuki and Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      North American Catalysis Society 22nd North American Meeting(22 NAM)
    • 発表場所
      Detroit Marriott Hotel(Detroit,America)
    • 年月日
      2011年6月8日
  • [学会発表] Preparation of Single-site Ti-containing Siliceous Materials with 3D Hierarchical Porous Structure and their Unique Catalytic Activities2011

    • 著者名/発表者名
      Takashi Kamegawa, Norihiko Suzuki, and Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      The 13th Korea-Japan Symposium on Catalysis
    • 発表場所
      Seogwipo Kal Hotel(Jeju,Korea)
    • 年月日
      2011年5月24日
  • [学会発表] シングルサイト光触媒の設計と応用2011

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      ヘテロ原子部会第1回懇話会(招待講演)
    • 発表場所
      (株)ニイタカ びわ湖工場(滋賀)
    • 年月日
      2011年4月22日
  • [学会発表] Design and Applications of Single-site Photocatalysts Using Nano-porousMaterials2011

    • 著者名/発表者名
      Hiromi Yamashita, Kohsuke Mori, Takashi Kamegawa, Shusuke Okada,and Kojiro Fuku
    • 学会等名
      The 16th International Conference on TiO2 Photocatalysis:Fundamentals and Applications(招待講演)
    • 発表場所
      Town&Country Resort(San Diego,America)
    • 年月日
      2011年11月9日
  • [学会発表] 光触媒の設計と応用2011

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      第4回次世代光触媒応用研究会(招待講演)
    • 発表場所
      長野市ものづくり支援センター(長野)
    • 年月日
      2011年11月22日
  • [学会発表] Design and Applications of Single-site Photocatalysts2011

    • 著者名/発表者名
      Hiromi Yamashita
    • 学会等名
      Global Frontiers in Catalysis and Adsorption Symposium(招待講演)
    • 発表場所
      Inha University(Incheon,Korea)
    • 年月日
      2011年10月27日
  • [学会発表] ナノ細孔材料を利用するシングルサイト光触媒の設計と応用2011

    • 著者名/発表者名
      山下弘巳
    • 学会等名
      元素戦略ワークショップ「ケイ素酸素系機能材料の応用」(招待講演)
    • 発表場所
      早稲田大学(東京)
    • 年月日
      2011年10月12日
  • [図書] 触媒調製ハンドブック(マクロ細孔構造を有する二酸化炭素チタン薄膜の合成)2011

    • 著者名/発表者名
      亀川孝、山下弘巳
    • 総ページ数
      468-469
    • 出版者
      NTS
  • [図書] 触媒調製ハンドブック(Ti含有メソポーラスシリカ薄膜の合成)2011

    • 著者名/発表者名
      堀内悠、山下弘巳
    • 総ページ数
      470-471
    • 出版者
      NTS
  • [図書] 触媒調製ハンドブック(TiO2/疎水性ポーラスシリカ)2011

    • 著者名/発表者名
      桑原泰隆、山下弘巳
    • 総ページ数
      480-481
    • 出版者
      NTS
  • [図書] 触媒調製ハンドブック(シングルサイト光触媒Ti-ゼオライト・メソ多孔体))2011

    • 著者名/発表者名
      亀川孝、森浩亮、山下弘巳
    • 総ページ数
      484-485
    • 出版者
      NTS
  • [図書] 触媒調製ハンドブック(シップインボトル錯体調整法(Ru(bpy)32+内包ゼオライト))2011

    • 著者名/発表者名
      森浩亮、山下弘巳
    • 総ページ数
      532-533
    • 出版者
      NTS
  • [産業財産権] 撥水性薄膜およびその製造方法2011

    • 発明者名
      亀川 孝
    • 権利者名
      亀川 孝
    • 産業財産権番号
      特許: 特願2011-243722
    • 出願年月日
      2011年11月07日

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公開日: 2013-07-10  

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