九州大学農学部北岡研究室 九州大学農学部北岡研究室 九州大学農学部北岡研究室

触媒・複合材料

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 資源・環境・エネルギー問題が深刻化する中、固体触媒を用いる“グリーン”な物質変換に大きな期待が集まっています。材料・エネルギーの製造過程で、それ自身は変化することなく特定の化学反応のみを加速させる触媒作用は、次世代の物質変換プロセスの要です。特に、白金をはじめとする貴金属触媒は、優れた選択性や反応特異性により、幅広い目的で産業利用されています。しかし、急速な需要の増大が貴金属の資源枯渇という新たな問題を引き起こしており、触媒自体の高機能化に加えて、触媒材料としての高性能化に着目した材料開発の機運が高まっています。

 近年、固体触媒の金属組成や表面ナノ構造に加えて、触媒担体のマイクロ-マクロ構造の制御に注目が集まっています。固体触媒は粉末状では利用が限定されるため、ペレットやハニカムなどの成型加工が施されていますが、これらの既存材料では固形材料内部への拡散抵抗が大きく、材料表面での反応に限定されるため、十分な触媒性能が得られていません。Catalyst班(C班)では、身近な生活素材である「紙」が多孔質の繊維ネットワーク積層構造を持つことに着目し、その特徴的なマイクロ空間を触媒反応場として利用する新規な構造体触媒の開発を行っています。具体的には、以下の3つの研究テーマに取り組んでいます。

天然の糖とアミノ酸で不斉合成

ナノセルロースとプロリンの不斉有機分子触媒反応

 新規合成触媒として、天然・生体元素のCHONPSからなる有機分子触媒に注目が集まっています。プロリンはアルドール反応を触媒することが知られていますが、極めて高濃度でなければ触媒として機能しないため、合成触媒としての実用性が低いことが課題でした。 本研究では、結晶性ナノセルロースとプロリンを組み合わせることで、高い触媒活性と不斉合成が可能となる新奇なマトリックス効果を発見しました。 触媒自体の光学異性ではなく、ナノセルロースの界面が不斉誘起する新たな触媒反応系として、今後の発展が期待されます。

バイオ燃料電池発電システムの社会実装

メタン発酵とFC発電によるメコンデルタ地域の循環型エネルギー開発

 非持続的な化石資源(地中に埋まったC)からの非効率的な電気エネルギー生産は、埋蔵資源の枯渇に加えて、地球温暖化や大気汚染など環境問題を引き起こしています。そのため、再生可能な有機資源(地上で循環するC)を利用する持続的エネルギー生産に期待が集まっています。 本研究では、ベトナムの持続的社会経済の発展のため、メコンデルタ地域のエビ養殖汚泥や水生植物等からのバイオガス製造と高効率的SOFC発電システムを組み合わせた「地産地消の分散型電源開発」に取り組んでいます。バイオマス循環系に最新のFC発電システムを導入することで、環境共生型の電気・熱エネルギーを創出します。

セルロース膜にナノサイズの孔をあける

ナノセルロース緻密層のMOF穿孔形成による分子ふるい型ガス分離膜の開発

 高効率・省エネルギーのガス分離材料として、金属-有機構造体(Metal-Organic Framework; MOF)が注目されていますが、合成高分子と複合化して造膜すると、その界面でガスリークが起こる大きな課題がありました。 本研究では、表面をカルボキシ化したナノセルロース結晶を足場に、ZIF-90型MOFをその場合成することで、高密着型の複合膜を合成することに成功しました。 ナノセルロースの緻密層に、極めて均一なナノ細孔を有するMOFで“孔を穿つ”ことで、メタンと二酸化炭素を完全分離できました。今後、多様な機能性MOFとの複合化によるさらなる機能開拓に期待が持たれます。

紙を重ねて3次元のネットワークを作る

1.ペーパー触媒の積層によるバイオガスからの燃料電池用水素製造

 次世代のクリーンエネルギーとして、下水汚泥や家畜ふん尿などの廃棄物系バイオガスからの燃料電池用水素製造が注目されています。しかし、バイオガス中に含まれる硫化水素が水素製造用触媒の失活を招くため、脱硫工程が必須とされています。 本研究では、抄紙技術により調製したペーパー構造体内部に、金属触媒や吸着剤を担持させたペーパー触媒を積層することで、バイオガス中の不純物である硫化水素の除去とメタンからの水素製造を一段階で実現しました。 今後は、さらなるペーパー触媒の機能デザインや燃料電池への実装が期待されます。

2.ペーパー積層構造をマイクロフロー反応場とする有機合成反応

 環境に優しいモノづくりのための新デバイスとして、マイクロリアクターが注目されています。しかし、リアクター開発と触媒開発の技術融合は十分ではなく、実用化の課題となっています。 本研究では、抄紙技術により多孔質ペーパー触媒を調製してそれを積層することでマイクロ流路を設計し、鈴木-宮浦カップリング反応における高い生成物収率と反応安定性を達成しました。 今後は、反応段に応じた機能を持つペーパー層を構造設計することで、多段階反応の実現に期待が持たれます。

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