二つの触媒が共同作業  水素社会にも貢献

 

小林 修(化学専攻 教授)

 

 

近年,SDGsに向けた取り組みや地政学リスクなども相まって,化石燃料依存からの脱却と炭素循環型社会の構築に向けた動きが世界的に加速し,水素をエネルギー源として用いる水素社会の実現にも注目が集まっている。水素は空気中の酸素と反応させることでエネルギーを取り出すことができ,副生成物として水のみを生じるため,二酸化炭素を大量に放出する石炭や石油,天然ガスと比べてクリーンなエネルギーである。しかし,水素を大量に供給することのできるエネルギー生産地は,消費地である日本から遠く離れている場合が多く,その輸送が課題となる。また,水素は気体であるため,そのままの形で輸送するのは効率が悪い。冷却して液体とすることで体積を大幅に減ずることができるが,冷却のために多量のエネルギーが必要であり,その貯蔵や輸送のために専用のタンカーや貯蔵施設を新たに建造する必要があるといった課題がある。そのような中,ベンゼンやトルエンといった芳香族化合物と水素を化学反応させ有機ハイドライドとし,これをいわば「水素貯蔵庫」として輸送する有機ハイドライド法が注目を集めている。環状の不飽和化合物であるベンゼンやトルエンは,三分子の水素と触媒存在下反応することで,常温常圧で液体の有機ハイドライドであるシクロヘキサンやメチルシクロヘキサンへ変換される。すなわち,一分子の芳香族化合物に三分子の水素が貯蔵可能となる。また,これらの有機ハイドライドはガソリンの成分でもあるため,既存のタンカーや貯蔵施設といったインフラストラクチャーを活用できる利点も有している。

このように,触媒を用いる芳香族化合物の水素化反応は,有機ハイドライド法を用いた水素貯蔵,輸送への応用が可能で,水素社会実現において重要な反応であるとともに,医薬品などの高付加価値化成品合成にも有用な反応である。しかし,かさ高い置換基や電子豊富な置換基を複数有する芳香族化合物の水素化は困難で,高温高圧といった過酷な反応条件を必要とし,その効率的な合成法の開拓が課題であった。

  図:Rh-Ptナノ粒子触媒とLewis酸触媒からなる協調触媒系を用いる芳香族化合物の水素化反応

今回われわれは,複数の触媒が相乗的に遷移状態の活性化エネルギーを低減化できる協調触媒系に着目した。不均一系触媒であるロジウム-白金ナノ粒子と,ルイス酸であるスカンジウム触媒の協調効果により,前述した水素化が困難であった芳香族化合物が,1気圧水素,低温(50 ºC以下)で円滑に水素化されることを見出した。

今後は,本触媒系をより実用化に近い連続フロープロセスに展開することで,医薬品などの化成品合成において,省資源化,省エネルギー化を実現でき,SDGs達成への貢献が期待される。また,今回の触媒反応開発の成功によって,水素化が困難であったさまざまな芳香族化合物を,水素輸送のための新しい水素キャリアとして開発することへの道を開くことができた。

本研究成果はH. Miyamura and S. Kobayashi., Angewandte Chemie and Angewandte Chemie International Edition e202201203(2022)に掲載された。

 

 

(2022年4月15日プレスリリース)

 

理学部ニュース2022年7月号掲載


 

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