2022 Fiscal Year Research-status Report
Design of hybrid particles with solid catalyst and enzyme for cascade catalytic reactions
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17KK0124
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
石井 治之 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授(テニュアトラック) (80565820)
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| Project Period (FY) |
2018 – 2023
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| Keywords | 金ナノ粒子 / 固体触媒 / 酵素 / カスケード反応 / マイクロチューブ / グリーンケミストリー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
触媒ナノ粒子は高い表面積に起因する優れた触媒能に加え、繰り返し利用できるのが特徴である。また、近年では酵素が行う各種酸化・還元反応を触媒することが報告されている。酵素の代替の可能性が検討されている。温和な条件で分子特異的に各種反応を触媒する酵素は環境低負荷な工業プロセスを実現可能である一方で、高価であることや安定に運転できる反応条件が限られていること、また一度失活すると再生が困難であることなど改良すべき課題も多い。
本研究では触媒ナノ粒子を活用した新たな触媒反応プロセスの開発を目指す。例えば、温和な条件で新たな材料創成となる反応プロセスの構築や、酵素や固体触媒などの触媒能を組み合わせた反応（カスケード反応など）の実現を目的に研究を行う。
2022年度は、まず金ナノ粒子および触媒能に着目し、各種酸化・還元触媒触媒反応を迅速に評価できる比色法を確立した。触媒ナノ粒子を評価する一般的な還元反応において、一次反応から生成物の分解あるいは変換反応に移行する現象を捕えることができた。また、前年に引き続き、酵素活性が失活する反応条件において、金ナノ粒子の触媒能は維持されることがわかった。次に、金イオンの場合は、温和な条件でポリマーの酸化重合を効率的に触媒する条件を明らかにした。さらに前年度に特許出願した金マイクロチューブの最適条件やチューブ長を伸長できる条件を明らかにした。金ナノ粒子集積体は繰り返し使える触媒として期待できるだけでなく、電子デバイスの素材や医療材料など幅広い用途に利用でき得る。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
金ナノ粒子の触媒能については、速い反応の推移を秒単位で評価できる手法を確立した。酵素活性が失活する反応条件において、金ナノ粒子の触媒能は維持されることを明確にできた。酵素より適した金ナノ粒子の触媒反応条件を明らかにしたことで、金ナノ粒子および酵素のハイブリッド材料への目処がついたと考える。
金ナノ粒子合成では、天然に存在する有機物を用いた合成において5nm～100nmの範囲におけるサイズ制御に成功した。また、それらの粒子が自発的に３次元構造体（マイクロチチューブ）の作製法に関しては、特許出願後さらに進捗し、ミリスケールのマイクロチューブの再現性を確認できた。このマイクロチューブは本研究の触媒として十分に機能し得ることに加え、電子デバイス等の用途展開が有望である。研究の進捗状況のオンラインでのやり取りを通して、これまで得られた成果をいくつか論文発表を行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで本プロジェクトで得られてきた知見より、酵素や金ナノ粒子を組み合わせた触媒システムを構築する。酵素が失活する条件においても、共存する金ナノ粒子に酵素が吸着することで安定化が期待できるのではないかと考えている。２つの触媒が共存する中で逐次的な反応を実現できる条件探索を行う。
さらに、金ナノ粒子が集積したマイクロチューブでは、構造評価だけでなく触媒反応や電気化学反応の試験を実施する。サイズや形状に依存して、各種物性・機能がどのように異なるか明らかにすることで、材料の機能化を実現できる条件を探索する。
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