ナノ構造触媒: ナノポーラス金触媒への期待

2011年02月28日

ナノ多孔質金シートは、丈夫で再利用可能な、環境に優しい触媒として働く

図1: ナノポーラス金は、新しい固体触媒として有機シラン化合物の酸化反応において優れた触媒活性を示した。
図1: ナノポーラス金は、新しい固体触媒として有機シラン化合物の酸化反応において優れた触媒活性を示した。

参考文献1(© 2010 Wiley-VCH)を改作

金の価格はここ数年で急騰したが、東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)を中心とする研究者による成果は、この貴金属の価値をさらに上げることになるだろう1。浅尾直樹教授、山本嘉則教授、および共同研究者らは、シリコン系ポリマーの原料としても利用可能なシラノールを合成する際に、ナノ細孔をもつ金(ナノポーラス金)が従来法よりも温和で「環境に優しい」条件下で触媒として働くことを見いだした。ナノポーラス金は、金-銀合金薄片から銀原子を選択的に溶出させることによって作製できる。

バルク状態の金は化学反応性に乏しいため、その美しい金色が失われたり変色したりすることはない。しかしナノスケールでは、その比表面積の増大により電子が集団的に振動しはじめるため、金の色に変化が生じる。「細孔の大きさが約100ナノメートルのナノポーラス金を作製すると、金色が赤みを帯びてきます。細孔が小さくなるほど色は濃くなり、電子物性がもとの金薄片とは違ってくることが分かります」と浅尾教授は話す。

このようにバルクとは異なる電子的挙動を示すナノ構造をもつ金は、触媒活性を示すようになる。例えば、固体に担持された金ナノ粒子は、さまざまな反応を触媒することが知られており、工業プロセスにおいて様々な有害な試薬に取って代わることが可能である。しかし残念ながら、この微粒子触媒には耐久性に問題がある。繰り返し使用しているうちに、金ナノ粒子が固体担体の表面上で凝集し、反応性が低下してしまうのである。この観点から、近年、ナノポーラス金が注目されるようになった。

浅尾教授らは今回、ケイ素-水素結合をもつ有機シランの酸化反応において、ナノポーラス金の触媒活性を調べた。有機シランが酸化されると、ケイ素原子と結合していた水素原子がヒドロキシル基に置き換わるため、ケイ素上にヒドロキシル基が二つ以上存在する場合、分子同士が結合してシリコン系ポリマーが合成できる。しかし、従来の酸化反応では基質の種類によって反応が進行しなくなるなどの問題や、副生成物が生成される、触媒と生成物の煩雑な分離操作が必要になる、といった問題が生じていた。

今回研究者らは、室温でナノポーラス金薄片を有機シランの含水アセトン溶液に加えるだけで、室温でほぼ定量的にケイ素-水素結合の酸化反応が進行することを見いだした(図1)。さらに、その触媒は容易に回収することができ、数回再利用した後でも触媒の反応性やナノ細孔構造に変化は見られなかった。

研究者らは現在、ナノポーラス金がなぜ触媒活性を示すのかについて調べており、今後この触媒が「サステイナブル・ケミストリー(持続可能な化学)」の分野に大きなインパクトを与えることを期待している。「ナノポーラス金は、『グリーンマテリアル(環境に優しい材料)』の観点からも重要であり、今後天然ガスやバイオエタノールの分子変換にも利用できると思います。ナノポーラス金属を用いた触媒科学は、これからますます発展していくでしょう」と浅尾教授は言う。

References

  1. Asao, N., Ishikawa, Y., Hatakeyama, N., Menggenbateer, Yamamoto, Y., Chen, M., Zhang, W. & Inoue, A. Nanostructured materials as catalysts: Nanoporous-gold-catalyzed oxidation of organosilanes with water. Angewandte Chemie International Edition 49, 10093–10095 (2010). | article

このリサーチハイライトは原著論文の著者の承認を得ており、記事中のすべての実験データは同著者から提供されたものです。