メソポーラスカーボンを担体にした触媒材料の開発

点击翻译按钮获取中文摘要

当該年度では柔軟な骨格をもつ高活性なカーボン固体酸の合成と水中で機能するルイス酸触媒の構築に成功した.これまでの知見では,カーボン固体酸の高い触媒活性は高密度のスルホ基と反応基質を取り込んでスルホ基へ効率よくアクセスさせる柔軟なカーボン骨格に由来することを見出した.本研究では,ポリ塩化ビニルを炭化・スルホ化して得られるカーボン固体酸がより柔軟かつスルホ基を高密度に固定したカーボン骨格を有し,セロビオース加水分解反応において既報のカーボン固体酸の約3倍の高い活性を示した.高活性な固体酸創出は,硫酸代替触媒として従来の化学工業プロセスの環境負荷低減に寄与するキーテクノロジーであり,本研究の成果はそれを推進する上で重要な第一歩である.また,カーボン固体酸の活性向上を図る具体的な方法を確立する基礎検討の側面を含んでおり,学術的側面からも重要な知見である.分子触媒を固定化したカーボン材料の開発はメソポーラスカーボンに導入したスルホ基を足場とする方法を試みた.当初の研究計画に従いカーボンにルイス酸触媒を固定化し酸化触媒として応用したが,均一系錯体触媒と比較して十分な触媒性能を示さずカーボン骨格が分解する結果となった.そこで,固体表面に存在する欠損サイトをベースに分子触媒と類似の機能を創出させることを検討した.様々な遷移金属酸化物の表面酸性質を検討したところ,V族遷移金属酸化物(Ta_2O_5,Nb_2O_5)が水中でも働く特異的なルイス酸触媒特性を示すことがわかった.本触媒の触媒性能を必須化学品の一つである乳酸の合成反応で評価したところ,従来の錯体触媒を上回る高い活性・選択性を示すことを見出した.系統的な検討までは到達していないが,これまで報告例がない固体の水中機能ルイス酸の触媒特性および発現機構の解明は学術面・工業面でも重要な知見を与えると期待できる.