東工大、1nmほどの粒子を触媒にした高活性酸化反応を開発――原子19個の白銀で従来比50倍の活性に

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デンドリマーを鋳型とする遷移金属サブナノ粒子の合成

東京工業大学は2018年11月16日、有機溶媒を使わずに粒径1nmほどの極微小なナノ粒子(サブナノ粒子)を触媒にして、酸素を酸化剤とする炭化水素の酸化反応を開発したと発表した。原子数19個の白金ナノ粒子を用いたところ、既知のナノ粒子の約50倍となる触媒活性を示したという。

炭化水素は、石油や天然ガスなどの化石原料の主成分。酸化反応によって有用な有機酸化物に変換されるが、非常に安定なC-H結合を持つため、有害な重金属や爆発性の過酸化物などの強力な酸化剤を使わなければ化学変換できない。

そこでグリーンケミストリーの観点から、酸素を酸化剤とした触媒反応を開発する取り組みが世界中で進められるようになっている。粒子をナノサイズまで小さくすることで触媒活性が向上することが知られており、これまでさまざまなナノ粒子が触媒として試されてきた。

ナノ粒子の中でも、特にサイズの小さなサブナノ粒子は、一際高い触媒活性を発現すると見込まれている。しかし、極微小で均一な大きさを持つサブナノ粒子を合成することは技術的に難しく、触媒活性を正確に評価する研究例はこれまでになかったという。

東京工業大学の研究チームは今回、樹状型の規則構造を持つデンドリマーを鋳型として利用し、サブナノ粒子を合成する手法を開発。デンドリマー構造中に各種元素の金属イオンを取り込み、化学還元で金属イオンを粒子状にすることで、担体へ固定化して不均一系触媒を調製した。

この手法によって合成したさまざまなサブナノ粒子を触媒としてトルエン酸化反応を起こしたところ、粒子のサイズが小さくなるほど触媒活性が向上する傾向が観測された。

(b) トルエン酸化反応における各種遷移金属サブナノ粒子の触媒活性、(c) 白金サブナノ粒子の原子数(n=12-28)に依存した触媒活性

さらに遷移金属の中でも、特に酸素親和性の低い白金が高い触媒活性を示すことを見出した。さらに、原子数を12から28まで制御した白金サブナノ粒子の触媒活性を評価したところ、原子数19個の白金触媒が触媒回転頻度=3238で最も高い活性値を示したという。粒径が約4nmの既知の金属ナノ粒子よりも約50倍の高い触媒活性を示し、ナノ粒子の極微小化により触媒能が向上することを確認できた。

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