広報活動

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2013年11月15日

独立行政法人理化学研究所
独立行政法人科学技術振興機構
国立大学法人九州大学

従来の数万分の1の触媒量で機能するパラジウム触媒を開発

-大規模な化学プラントでも実用可能な触媒へ-

パラジウムナノ粒子

シリコンナノワイヤーに固定されたパラジウムナノ粒子

顕微鏡写真

パラジウムナノ粒子の透過型顕微鏡写真

シリコンナノワイヤーアレイ担持パラジウム触媒

レアメタルをどう確保するかは、資源小国の日本にとって大きな課題です。高効率モーターや電池材料などにもレアメタルは使われていますが、その産地は偏在しています。生産国は、レアメタルを戦略物資と位置付けて輸出制限することもあり、国際価格の急騰を招くこともしばしばです。「高機能材料などに欠かせないが高価」というジレンマを解消するには、レアメタルへの依存を低下させるのが手っ取り早い方法です。それには「使用量を削減すること」、「使わない設計にすること」、「レアメタル代替物質を作ること」などが考えられます。

パラジウムは化学反応の速度を速める触媒としてよく使用されるレアメタルです。しかし1kg当たり100万円もします。2つの化学物質を結合させるクロスカップリング法のひとつ「溝呂木-ヘック反応」では、触媒としてパラジウムが用いられていますが、必要な使用量は原料に対して数%と大量です。低コスト、省資源という観点から、微量でも触媒機能を果たし、回収・再利用が可能なパラジウム触媒の開発が求められていました。

理研の研究者を中心とした共同研究グループは、原料に対してこれまでの数万分の1の量でも機能する固定化触媒の開発に挑みました。つまり「使用量の削減戦略」を取ることにしたわけです。パラジウムを固定化する土台となる物質として、シリコンナノワイヤーをシリコン基板表面に形成したシリコンナノワイヤーアレイに着目しました。シリコンナノワイヤーアレイの多数のナノスケール空間にパラジウムナノ粒子触媒を固定化できれば、ナノ空間で瞬間的に化学反応が進むと考えたのです。まず、アレイをパラジウム塩水溶液に浸し、パラジウムナノ粒子を固定化した「シリコンナノワイヤー担持パラジウム触媒」を得ました。これを用いて、溝呂木-ヘック反応を行ってみました。すると、従来の数万分の1というごく微量の触媒量でも触媒活性の指標である触媒回転数が200万回転に達し、この反応に有効な固定化触媒として世界最高効率を実現しました。

今後、安定性や耐久性を高めるなど、触媒の改良をはかれば、年間数トン規模の合成を可能とする大規模処理装置や化学プラントなどへの応用も視野に入ってくるとのこと。期待できますね。

理化学研究所
環境資源科学研究センター グリーンナノ触媒研究チーム
副チームリーダー 山田 陽一 (やまだ よういち)