有機カチオンと固体触媒の距離と触媒活性の関係～メタン活性化触媒の開発を目指して

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本課題の研究代表者らは、ゼオライトなどの固体酸を有機カチオン交換でイオン交換した触媒が、塩基性を有することを見出してきた。その中で、固体触媒の塩基点と、対イオンとして存在する有機カチオンの距離が触媒活性に影響を与える可能性があることが示唆された。そこで本課題では、様々な固体酸と有機カチオンを組み合わせた触媒を調製し、その反応活性を調べる。それにより、固体酸と有機カチオンの距離が、反応活性に影響を与える可能性があるという仮説を検証することが目的である。遷移金属層状化合物を剥離して得られる固体酸ナノシートのプロトンを有機カチオンとイオン交換することで、有機カチオン交換ナノシートの調製を行った。有機カチオンには、アルキル鎖長がC1～C4のテトラアルキルアンモニウムを用い、その水酸化物を用いると有機カチオン交換ナノシートが調製できることが分かった。これは、固体酸ナノシートのプロトンが水酸化物イオンで中和されることで消費され、代わりにテトラアルキルアンモニウムがカチオンとしてナノシート表面に存在するためである。固体酸と有機カチオンの距離が、反応活性に与える影響を検証するために、C1～C4のテトラアルキルアンモニウム以外の有機カチオンでもイオン交換を行う必要があるが、有機カチオン水酸化物は容易に入手できる試薬が限られている。そこで、C1～C4のテトラアルキルアンモニウムの塩化物や臭化物を用いてイオン交換を試み、水酸化物を用いたときと同様の結果になるか確認した。プロトン体の固体酸ナノシートは凝集しているが、有機カチオン水酸化物でイオン交換すると剥離する。一方、有機カチオンの塩化物や臭化物でイオン交換を行うとナノシートは剥離しなかった。しかし、X線回折による測定結果は、凝集しているナノシート間の距離が開いていることを示しているので、イオン交換は不十分ながら進行していることが分かった。