2022 Fiscal Year Research-status Report
Artificial Photosynthesis 2.0 - Construction of energy-storing high-value-added molecules from carbon dioxide and water
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22K19048
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
正岡 重行 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (20404048)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Keywords | 人工光合成2.0 / エネルギー獲得 / 高付加価値分子合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、エネルギー問題の解決を志向した「人工光合成」と呼ばれる取り組みが盛んにおこなわれている。この人工光合成反応では、二酸化炭素と水を利用し、太陽光のエネルギーを化学エネルギーへと変換・貯蔵できる。一方で、得られる生成物は水素・ギ酸・一酸化炭素等の小分子にとどまっており、天然の光合成が行っているような高付加価値分子の合成は未達成である。そこで本研究では、二酸化炭素と水を原料とするエネルギー貯蔵型の高付加価値分子合成を志向した触媒開発基礎研究を展開することとした。特に、太陽光エネルギーまたは太陽光エネルギーから作られる電気化学エネルギーを駆動力とし、小分子を基質として用いたエネルギー貯蔵型の物質変換反応の開発を試みた。
そのための第一段階として、2022年度は、光もしくは電気化学エネルギーを駆動力とし、金属錯体をメディエーターとして用いた小分子基質の自在活性化手法の開拓に取り組んだ。具体的には、柔軟な多電子酸化還元能と配位不飽和サイトを有する金属五核錯体に電位を印加することよって電子状態を網羅的に変化させ、そこに水や二酸化炭素などの小分子を反応させることで、どのような条件下で活性種が発生するかを調査した。その結果、この金属五核錯体群においては、構成要素である金属イオンの種類ならびに配位子の構造に応じて小分子を活性化可能な酸化状態が変化し、この活性化状態の変化が触媒反応に大きな影響を及ぼすことが見出された。これらの事実より、（i）金属錯体をメディエーターとして電気化学刺激を与えることで小分子を活性化できること、ならびに、（ii）その活性化状態が金属錯体の電子状態ならびに電気化学刺激の状態に応じて様々に変化することが見出された。
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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
本研究の推進により、これまでに、（i）金属錯体をメディエーターとして電気化学刺激を与えることで小分子を活性化できること、ならびに、（ii）その活性化状態が金属錯体の電子状態ならびに電気化学刺激の状態に応じて様々に変化することが見出された。これらの成果は、本研究の目的である、「太陽光エネルギーまたは太陽光エネルギーから作られる電気化学エネルギーを駆動力とし、小分子を基質として用いたエネルギー貯蔵型の物質変換反応の開発」を行う上で基盤となる重要な成果であると位置づけられる。したがって、本研究はおおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
先述のとおり本研究では、二酸化炭素と水を原料とし、太陽光エネルギーまたは太陽光エネルギーから作られる電気化学エネルギーを駆動力とした、エネルギー貯蔵型の高付加価値分子合成を志向した研究を展開する。2022年度は、そのための第一段階として、柔軟な多電子酸化還元能と配位不飽和サイトを有する金属五核錯体による小分子基質の活性化に関する研究を推進した。2023年度は、金属錯体の電子状態・反応条件等を更に網羅的に変化させた条件で活性種の発生を行い、生じた活性種の構造・電子状態を多角的に解析・同定する。そして、各種パラメータと得られた活性種の種類をマッピングすることで、戦略的に望みの活性種を発生させるためのダイアグラムを作成する。ダイアグラム作成により得られた知見を分子設計にフィードバックし、各種活性種発生に最適な金属錯体を合理的に開発する。この過程により、望みの反応性を有した活性種を戦略的に生成させるための方法論を確立する。また、研究の第二段階として、生じた活性種を活用した物質変換反応の開発研究を実施する。二酸化炭素の活性化により得られる活性種は、カルボン酸生成などの炭素－炭素結合生成を伴う骨格形成反応に活用可能である。また水分子の活性化により得られるオキソあるいはオキシルラジカル型活性種は、各種酸化反応や不活性C-H結合解離反応への展開が期待できる。この過程においては、単一の活性種を活用した反応のみならず、異種活性種の反応連動による不活性C(sp3)-H結合へのCO2挿入反応などの高難度変換についても試みる。上記の研究を通じ、エネルギー貯蔵型高付加価値分子の合成に関する学理を構築する。
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| Causes of Carryover |
2022年度前期は、新型コロナウイルスの蔓延に伴い国内外の出張が制限されていた。そのため、測定実験のため計画していた国内出張は延期せざるを得ず、この実験のために計上していた経費を次年度使用額として使用することとした。また、対面での参加を予定していた国際学会にはオンラインでの参加を余儀なくされ、旅費として計上した予算にも余剰が生じた。これらの助成金は、次年度以降の実験にかかる物品・消耗品費、ならびに学会への参加費・旅費等として有効に活用する予定である。
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