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Research News

鉱物を用いて中性の水から電子を取り出す

プロトン移動制御によるマンガン系触媒の活性向上

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工学系研究科・工学部
2014/07/17

東京大学大学院工学系研究科橋本研究室の橋本和仁教授らは、理化学研究所環境資源科学研究センター生体機能触媒研究チームの中村龍平チームリーダーと、山口晃大学院生リサーチ・アソシエイトと共同で、植物などの光合成/水分解の仕組みを利用することで、中性の水を分解して電子を取り出す「人工マンガン触媒」の開発に成功しました。

(左)自然に豊富に存在するマンガン鉱物(ホランド鉱)の主成分である酸化マンガンを人工マンガン触媒として用い、プロトン移動が誘起可能な塩基の存在下、水の酸化反応を行った。(右)酸化マンガンは、構造の真ん中がトンネルのように空いた構造(トンネル構造)を有する。

© 2014 中村 龍平
(左)自然に豊富に存在するマンガン鉱物(ホランド鉱)の主成分である酸化マンガンを人工マンガン触媒として用い、プロトン移動が誘起可能な塩基の存在下、水の酸化反応を行った。(右)酸化マンガンは、構造の真ん中がトンネルのように空いた構造(トンネル構造)を有する。

水分子は自然界に最も豊富に存在する電子源の1つであり、水素または有機燃料の製造を担う重要な化学資源です。自然界では植物などの光合成生物がマンガンを含む酵素(生体マンガン酵素)を利用して水から電子を獲得し、その電子を用いて二酸化炭素から炭水化物を作り出しています。これまでこの植物の水を分解する酵素の構造を模倣し、水から効率よく電子を引き抜く人工マンガン触媒の開発が行われてきました。人工マンガン触媒は、強酸や強アルカリ環境では効率よく水から電子を引き抜けますが、中性環境では活性が大きく低下します。人工マンガン触媒が中性環境で駆動しない理由や、生体マンガン酵素と人工マンガン触媒の活性の違いの起源については不明のままでした。

共同研究グループは、中性環境における生体マンガン酵素と人工マンガン触媒の活性の違いとして電子/プロトン輸送の機構の違いに着目し、人工マンガン触媒の電子/プロトン(水素イオン)輸送の経路を調べました。その結果、水分解過程(2H2O → O2 + 4e- + 4H+)において、生体マンガン酵素では電子とプロトンが同時に移動するのに対し、人工マンガン触媒では、電子とプロトンが個別のタイミングで移動することを突き止めました。この結果に基づき、共同研究グループは、人工マンガン触媒にプロトン受容能力が大きい塩基を添加し、電子とプロトンの移動タイミングを調整しました。その結果、中性環境における水分解活性は15倍増大し、強アルカリ環境で得られる値の60%にまで到達しました。

今回の研究成果は、豊富に存在する水を電子源とした低環境負荷の燃料製造につながると期待されます。本研究成果は英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』(6月30日付)に掲載されました。

プレスリリース

論文情報

Akira Yamaguchi, Riko Inuzuka, Toshihiro Takashima, Toru Hayashi, Kazuhito Hashimoto and Ryuhei Nakamura,
“Regulating Proton-Coupled Electron Transfer for Efficient Water Splitting by Manganese Oxides at Neutral pH”,
Nature Communications Online Edition: 2014/6/30 (Japan time), doi: 10.1038/ncomms5256.
論文へのリンク

リンク

大学院工学系研究科

大学院工学系研究科 応用化学専攻

大学院工学系研究科 応用化学専攻 橋本研究室

理化学研究所 環境資源科学研究センター 生体機能触媒研究チーム

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