Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

金属酸化物 / ポリオキソメタレート / 触媒 / ナノ材料 / 光触媒

本研究では、反応性の高いナノ反応場を有する環状および多欠損型分子状金属酸化物（ポリオキソメタレート）への精密金属集積法を開発し、触媒材料や磁性材料の開発に向けた新たな無機材料設計技術を開拓した。特に、有機保護基の利用やプロトン化状態の制御により、これらの分子状金属酸化物の反応性を制御する新たな合成法を用いて、金属の数や配列を１原子単位で設計した多核活性点や異種金属多核構造の合成に成功した。また、これらの材料設計技術を応用して、可視光応答型光触媒や磁性材料などの機能性材料の開発が可能になった。

本研究成果により、高効率反応や高難度反応を実現するための触媒開発や、これまでにない物性を有する高機能材料の開発に向けた、新しい無機材料設計が可能になった。このように、本研究で得られた知見は、無機触媒開発や機能性材料開発の発展に寄与し、将来的な持続可能社会の実現に貢献する可能性が期待できる。

ナノ材料 / VOC処理 / 光触媒 / 電荷分離 / 量子サイズ効果 / ＶＯＣ処理 / 量子ドット / 触媒 / 電子移動 / ポーラス材料 / 金属酸化物 / 1-2nmの細孔 / シリカ / 複合 / 触媒活性 / 細孔構造

本研究では、１～２ナノメートル(nm)前後の微細な細孔構造を有するポーラスシリカを鋳型にして、様々な金属酸化物を導入及び複合させることで、エネルギー分野や環境浄化技術への応用が期待される新規機能性材料の開発を行った。主な成果としては、次の２点が挙げられる。①シリカ鋳型を用いてCr種を合成して得られた再生可能な酸化剤兼燃焼触媒：室温から連続的にVOC排ガス処理が可能。②酸化チタン-酸化タングステンのナノ複合微粒子：酸化剤作用と水熱合成法を組み合わせてナノレベルで両者を接合させることに成功：電荷分離を促進によるナノ複合光触媒活性の飛躍的な向上を確認。

メカノキャタリシス / 金属酸化物 / 力学的エネルギー / レドックス反応 / 層状複合酸化物 / ペロブスカイト型複合酸化物 / 光触媒 / 可視光応答性 / 光照射 / バンドギャップ

これまでの研究から、数多くの単純な金属酸化物の中でNiO、Co_3O_4、Cu_2O、Fe_3O_4、RuO_2、IrO_2のみがメカノキャタリシスによる水の全分解反応の触媒となることが明らかになった。同じ反応条件ではでNiO、Co_3O_4が高い触媒活性を示す一方、RuO_2、IrO_2は低活性であった。この触媒反応は前述のように反応容器底面とその上で回転する回転体の間に挟まれた触媒粒子に力学的エネルギーが加えられて進行するが、その水の分解活性は触媒の粒径、回転体の形状、回転体と反応容器底面の間にかかる圧力に大きく依存した。触媒粒経がサブミクロンオーダーの場合、反応容器底面と回転する攪拌子の間にある小さな触媒粒子に充分な力学的エネルギーが与えられないために水分解活性は非常に小さい。平らな反応容器底面に回転体を線接触した時の活性は面接触の場合より高く、回転体を反応容器底面に押し付ける力に比例して水の分解速度が大きくなった。これらの結果は触媒粒子に加えられる圧力が高いほど触媒に与えられる力学的エネルギーが大きくなり、水の全分解速度が速くなることを示している。各々の反応条件下、これらの金属酸化物触媒の中でNiOが最も高い水の分解活性をもち、力学的エネルギーの変換効率は4-10%に達した。一方、RuO_2、IrO_2は最適条件下においても低い活性しか示さなかった。
また、NiO、Co_3O_4、Cu_2Oを用いて反応メカニズムの解明が試みた結果、反応条件下でこれらの金属酸化物表面の一部は金属まで還元され、再び元の酸化物に戻ることが明らかになった。このことは触媒表面でレドックス反応が進行していることを示している。分光学的な解析も行われ、水がない状態でCu_2Oに力学的エネルギーを回転体によって与えると波長600nm未満(>2.1eV)の発光が検出された。Cu_2Oのバンドギャップエネルギーが2.1eVであることを考慮すると、力学的エネルギーを与えられたCu_2Oでは電子のバンドギャップ遷移が起きていることが考えられる。他の触媒の分光学的実験は現在継続中であるが、Cu_2Oのメカノキャタリシスでは力学的エネルギーがバンドギャップ遷移を起し、これが触媒表面でのレドックス反応のドライビングフォースとなっていることが予想された。

【研究分担者】
渡辺洋人	地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター	開発本部開発第二部材料技術グループ	副主任研究員	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
今井宏明	慶応義塾大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
野村淳子	東京工業大学	資源化学研究所	助手	(Kakenデータベース)