有機-無機ハイブリッド型光触媒による選択的物質変換

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本研究では、無機光触媒材料への有機種の導入による有機-無機ハイブリッド型光触媒材料の開発とその機能解明を進めてきた。平成21年度は、光触媒活性を水溶液中の有機酸の種類と濃度により制御できるハイブリッド型光触媒を開発した。本研究では、二酸化チタン粒子を含有するメソポーラスシリカを合成し、メソポーラス内に界面活性剤を残した状態で1-[3-(トリメトキシリル)プロピル]ジエチレントリアミン(DETA)と反応させることで、外表面にDEIA基を修飾したハイブリッド型光触媒を開発し、反応溶液中における有機酸の濃度等に対する光触媒活性の変化を調べた。本触媒は、シュウ酸やクエン酸(各5mM、pH3付近)を加えた水溶液中では、ニトロベンゼンの光還元反応を触媒しないことを見出した。これに対し、DETA基を修飾していない触媒を用いた場合には反応が進行する。pHの低い水溶液中でDETA基がプロトン化する。これにより、細孔の出入口付近に修飾されたDETA基は静電反発により大きく広がるため、細孔を塞ぎ、ニトロベンゼンの細孔内への拡散が抑制されるためと考えられる。また、酸の濃度を下げると反応は徐々に進行するようになる。これは、酸濃度が低下することでDETA基の静電反発が弱くなり、基質の細孔内への拡散が抑制されにくくなるためと考えられる。一方、ギ酸存在下(5～100mM)では、本触媒でもニトロベンゼンの光還元反応が進行する。これは、DETA基の開きかたが、アニオン種のイオン半径に依存しているためと考えられる。このように本研究では、表面をDETA基で修飾した簡単な構造の光触媒が、溶液中の酸の種類や濃度の変化にともなうDETA基の構造変化により触媒活性を制御する特異的な機能を発現することを明らかにした。