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九州大学など、水素から電子を取る貴金属不使用の触媒を開発

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九州大学など、水素から電子を取る貴金属不使用の触媒を開発

九州大学、総合科学研究機構、茨城大学の研究グループは共同研究により、自然界に存在する水素を活性化する酵素「ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼ」をモデル(模範)として、同様の働きをする新しいニッケル-鉄触媒を開発した。そして、この触媒を用いて、常温常圧で水素から電子が取り出せることを示した。

これまで、自然界の酵素をモデルとすることで、安全・高性能・低コストな人工触媒の開発が多く試みられてきた。これまでの最良の機能モデルは、2007年に九州大学の研究グループが開発したもので、「鉄」ではなく貴金属である「ルテニウム」を使用したニッケル-ルテニウム触媒だった。

今回、ルテニウム(240円/g)の代わりに、約1/4000の価格の鉄(0.06円/g)を使用した系での水素の活性化に初めて成功した。今後の燃料電池用の触媒などへの応用に向けて、画期的な進歩と捉えられている。

安全でクリーンでしかも持続可能なエネルギーを供給することは、21世紀の重要な課題の一つ。水素はそのエネルギーキャリアーとしての役割を担っていけるかどうかが問われている。自然界では水素活性化酵素「ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼ」が常温常圧という温和な条件で、エネルギーキャリアーである水素から電子を取り出しているが、これまで同様の反応を同条件で人工的に行うことはできなかった。

今回、本研究グループは、自然界の水素活性化酵素であるニッケル-鉄ヒドロゲナーゼをモデルとして、新たなニッケル-鉄触媒の開発と、常温常圧で水素からの電子を電子受容体(フェロセニウムイオンやメチルビオロゲン等)に移動させることに成功した。結晶構造の解明により、水素を活性化した後に生成するヒドリドイオン(H-)がニッケルではなく、鉄に結合していることを示した。これまでニッケルか鉄のどちらにヒドリドイオンが結合しているかは分かっていなかった。

本研究の成果により、ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼによる水素活性化のメカニズムの解明と、貴金属フリー触媒による水素活性化の研究が飛躍的に前進した。今後は、水素エネルギー利用技術の発展、例えば、ニッケル-鉄触媒を用いた白金フリー燃料電池の開発などにつながるものと期待される。

九州大学を中心とする研究グループは、2007年に水素活性化酵素であるニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの人工モデルとなるニッケル-ルテニウム触媒の合成、2008年にその触媒を用いて常温常圧で水素から電子の取り出し、2011年に分子燃料電池の開発に成功した。しかし、それらの研究では、高価な貴金属であるルテニウムを使用していることが問題点だった。

本研究は、文部科学省により創設された世界トップレベル研究拠点プログラム(WPI)の拠点である「カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)」、科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)研究課題「水素活性化アクア触媒界面による常温・常圧エネルギー変換」、および文部科学省 科学研究費補助金・新学術領域研究「感応性化学種が拓く新物質科学」の研究の一環として、九州大学の小江誠司教授の研究グループが行ったもの。また、研究成果は2月7日(木)(米国東部時間)に米国科学雑誌「Science」のオンライン版で公開された。

【参考】
九州大学 - 小江誠司教授の研究成果がScience誌に掲載
科学技術振興機構 - 水素から電子を取る貴金属フリー触媒を開発

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