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生命・錯体分子科学研究領域正岡グループ

正岡グループ_メインイメージ
場所:山手キャンパス 3号館4F西
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金属錯体,人工光合成,触媒,酸素発生反応

人工光合成システムの構築を志向した金属錯体化学

太陽光エネルギーを利用して、水素やアルコール等の貯蔵可能なクリーン燃料を作り出す。“人工光合成”と呼ばれるこれらの反応は、実用化されれば世界のエネルギー問題が一気に解決する可能性のある究極のエネルギー製造技術と考えられています。我々の研究グループでは、生体機能の中心的な役割を果たしている“金属錯体”に注目し、人工光合成を実現するための基盤づくりに取り組んでいます。

最近、我々の研究グループでは、人工光合成技術の実現に必要となる、(1)天然の光合成系に匹敵する高い活性を持ち、(2)耐久性が高く、(3)安価な金属元素により構築される、という3つの条件を満たす酸素発生触媒の開発に世界で初めて成功しました。

天然の光合成反応では、植物中に存在する光化学系IIと呼ばれるタンパク質中に存在する酸素発生錯体(Oxygen Evolving Complex, OEC)が良好な酸素発生触媒として機能することが知られています。しかし、OECは生体中でのみ安定な構造であり、そのまま取り出して用いることは困難です。そこで我々は、OECの構造のどの部分がその高い酸素発生能と関連しているかを考察することで、新たな触媒が開発できるのではないかと考えました。このコンセプトを「植物に学ぶ触媒デザイン」と呼んでいます。上記の「植物に学ぶ触媒デザイン」に基づき、我々は、安価な鉄イオンを有する人工触媒(鉄五核錯体)を用いた酸素発生反応の開発に成功しました。鉄五核錯体は、「多核構造」と「近接した水分子の結合サイト」という酸素発生反応を促進するための2つの特徴を有しています。この鉄五核錯体の触媒能について調査したところ、その酸素発生速度は、既存の鉄錯体触媒と比較して1,000倍以上大きく、OECをも上回ることが明らかになりました。この成果は、エネルギー・環境問題の解決へとつながる人工光合成技術の発展に向けた大きな一歩です。

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(a) Structure and (b) features of pentanuclear iron catalyst

参考文献

  1. M. Okamura, M. Kondo, R. Kuga, Y. Kurashige, T. Yanai, S. Hayami, V. K. K. Praneeth, M. Yoshida, K. Yoneda, S. Kawata, S. Masaoka, "A pentanuclear iron catalyst designed for water oxidation" Nature 530, 465 (2016).
  2. M. Yoshida, M. Kondo, S. Torii, K. Sakai, and S. Masaoka, "Oxygen Evolution Catalysed by a Mononuclear Ruthenium Complex bearing Pendant -SO3 Groups," Angew. Chem. Int. Ed., 54, 7981–7984 (2015).
  3. M. Yoshida, M. Kondo, T. Nakamura, K. Sakai, S. Masaoka, "Three Distinct Redox States of an Oxo-Bridged Dinuclear Ruthenium Complex" Angew. Chem. Int. Ed., 53, 11519 (2014).