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貴金属(金,白金,パラジウム)の新しい触媒作用を発見!〜ナノテクノロジーを駆使した革新的なグリーンプロセス基盤技術〜

 東京大学は,同大学院大学理学系研究科 小林 修教授らがナノサイズの貴金属(金(Au),白金(Pt),パラジウム(Pd))を組み合わせた新しい触媒作用を見出し,酸化反応プロセスをコントロールしてアルコール原料から有用なアルデヒド,カルボン酸,エステルのつくり分けを可能にしたことを2010年10月4日にニュースリリースした.このような技術は,Auを用いるバイメタル(2種の金属)を触媒にした酸素酸化反応では世界で初めてであり,Journal of the American Chemical Society(注)にオンライン発表された.

 近年になってナノサイズのAuのクラスター(数原子〜数百原子の集合体)には特有な触媒活性があることが分かってきた.特に,気体の酸素を使った酸化反応が可能で,従来の金属酸化物のような毒性を持つ酸化剤を用いないクリーンな反応であることから注目されている.小林教授らは既に,Au触媒を使用したアルコール類の酸素酸化反応を開発しており,更に,AuとPtからなるバイメタル(2種の金属)のナノクラスターを高分子に固定した高活性な触媒の開発に成功している.

 今回の発表は,バイメタルを固定化した触媒による酸化反応の研究を進める中で金属の組み合わせによって異なる生成物が得られる現象を見つけたことである.具体的には1-オクチルアルコール(C7H15CH2-OH)の酸素酸化反応にAu/Ptバイメタル触媒を用いベンゾトリフルオリド(BTF)溶媒中で行うとアルデヒド(C7H15-CHO)を生成し,Au/Pdバイメタル触媒を用い塩基を添加したメタノール(CH3OH)溶媒中で行うとエステル(C7H15-COO CH3)を生成する.また,Au/Ptバイメタル触媒を用い塩基を添加したBTF溶媒中ではカルボン酸(C7H15-COOH)を選択的に生成する.すなわち,Auに対する第二の金属の種類および溶媒によって反応経路が変わり異なる生成物が得られることになり,酸化反応のコントロールが可能になった.

 これらの触媒を電子顕微鏡で観察したところ,クラスターの平均サイズはいずれも約2nmでほぼ同じであるが,Au/Ptのクラスターでは原子数比率が1:1であるのに対して,Au/Pdでは4:1〜3:1になっており,構造を含めてこの比率が反応経路の選択性の鍵であることが想像され,解明が今後の課題である.

 この成果は,バイメタルに留まらず複数種類の金属からなるクラスター触媒についても様々な反応経路の精密コントロールを実現できる可能性があり,環境にやさしい技術として今後の発展が期待される.

 本研究は,独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構の委託研究「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発/革新的アクア・固定化触媒プロセス技術開発」によって得られたものである.

(注)Kosuke Kaizuka, Hiroyuki Miyamura, and Shu Kobayashi,"Remarkable Effect of Bimetallic Nanocluster Catalysts for Aerobic Oxidation of Alcohols: Combining Metals Change the Activities and the Reaction Pathways to Aldehydes/Carboxylic Acids or Esters", Journal of the American Chemical Society, Publication Date(Web):October 8, 2010 |DOI:10.1021/ja108256h