Artificial Photosynthesis 2.0 - Construction of energy-storing high-value-added molecules from carbon dioxide and water

人工光合作用2.0——利用二氧化碳和水构建储能高附加值分子

基本信息

批准号：
22K19048
负责人：
正岡重行
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K19048/
关键词：
人工光合成2.0 エネルギー獲得高付加価値分子合成

项目摘要

近年、エネルギー問題の解決を志向した「人工光合成」と呼ばれる取り組みが盛んにおこなわれている。この人工光合成反応では、二酸化炭素と水を利用し、太陽光のエネルギーを化学エネルギーへと変換・貯蔵できる。一方で、得られる生成物は水素・ギ酸・一酸化炭素等の小分子にとどまっており、天然の光合成が行っているような高付加価値分子の合成は未達成である。そこで本研究では、二酸化炭素と水を原料とするエネルギー貯蔵型の高付加価値分子合成を志向した触媒開発基礎研究を展開することとした。特に、太陽光エネルギーまたは太陽光エネルギーから作られる電気化学エネルギーを駆動力とし、小分子を基質として用いたエネルギー貯蔵型の物質変換反応の開発を試みた。そのための第一段階として、2022年度は、光もしくは電気化学エネルギーを駆動力とし、金属錯体をメディエーターとして用いた小分子基質の自在活性化手法の開拓に取り組んだ。具体的には、柔軟な多電子酸化還元能と配位不飽和サイトを有する金属五核錯体に電位を印加することよって電子状態を網羅的に変化させ、そこに水や二酸化炭素などの小分子を反応させることで、どのような条件下で活性種が発生するかを調査した。その結果、この金属五核錯体群においては、構成要素である金属イオンの種類ならびに配位子の構造に応じて小分子を活性化可能な酸化状態が変化し、この活性化状態の変化が触媒反応に大きな影響を及ぼすことが見出された。これらの事実より、（i）金属錯体をメディエーターとして電気化学刺激を与えることで小分子を活性化できること、ならびに、（ii）その活性化状態が金属錯体の電子状態ならびに電気化学刺激の状態に応じて様々に変化することが見出された。

近年来，已积极地进行了称为“人造光合作用”的努力，目的是解决能量问题。这种人工光合作用反应使用二氧化碳和水将太阳能转换为化学能。另一方面，获得的产品仅是氢，甲酸，一氧化碳等小分子，以及尚未实现自然光合作用所实现的高值增添分子的合成。因此，在这项研究中，我们决定开发针对催化剂开发的基础研究，该研究旨在使用二氧化碳和水作为原材料合成高增值分子。特别是，我们试图使用太阳能或太阳能作为驱动力产生的太阳能或电化学能量，并使用小分子作为底物来开发储能型材料转化反应。作为到达这一目标的第一步，在2022年，我们努力开发一种方法，以使用照片或电化学能量作为驱动力和金属复合物作为介体来自由激活小分子底物。具体而言，通过将潜力应用于具有柔性多电体氧化和氧化还原能力和协调不饱和位点的金属五核配合物，对电子状态进行了全面变化，并且对其进行了小分子，例如水或二氧化碳等小分子，以研究活性物种的哪些条件。结果，发现在这组金属五核复合物中，可以根据成分元素的金属离子类型和配体的结构来激活小分子的氧化状态，并且激活状态的这种变化对催化反应产生了重大影响。这些事实已经发现（i）可以通过使用金属复合物作为介体应用电化学刺激来激活小分子，并且（ii）根据金属络合物的电子状态和电化学刺激状态，它们的激活状态以各种方式变化。