九州大ら、水素から電子を取りだすニッケル-鉄触媒を開発。ルテニウムの1/4000と安価な鉄使用

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九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所/工学研究院 小江誠司教授らの研究グループが、自然界に存在する水素活性化酵素「ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼ」をモデルとする新しいニッケル-鉄触媒を開発。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。貴金属を使わずに鉄で触媒作用が働くため、燃料電池用触媒へ応用することで、燃料電池の大幅な低コスト化が図れると期待できる。総合科学研究機構、茨城大学との共同研究。2013年2月8日付けの Science に論文が掲載されている。

図1 ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの活性中心の構造 (出所:九州大学)

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、温和な常温常圧条件でエネルギーキャリアである水素から電子を取り出している。これと同様の反応を人工触媒で実現する試みは、これまでにも行われてきており、同研究グループの先行研究では貴金属のルテニウムを使用したニッケル-ルテニウム触媒が報告されていたが、コストが高いことが課題となっていた。

研究チームは今回、ルテニウム(グラム単価240円)の代わりに、約1/4000の価格の鉄(グラム単価0.06円)を使用した系での水素の活性化に初めて成功した。ニッケル-鉄ヒドロゲナーゼをモデルとして開発したニッケル-鉄触媒を使って、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など)に移動させた。X線および中性子回折を用い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。今後、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が進むと期待される。

図2 ニッケル-鉄触媒の結晶構造 (出所:九州大学)

 

図3 ニッケル-鉄触媒を用いた水素からの電子抽出 (出所:九州大学)

 
自然界に存在するニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの活性中心は、ニッケルと鉄がシステイン残基(Cys)の硫黄原子によって架橋された2核構造をとる(図1)。Xは、休止状態ではH2O、OH、またはO2-、活性化状態ではHと考えられている。

今回開発されたニッケル-鉄ヒドロゲナーゼの人工モデル触媒は、自然界のニッケル-鉄ヒドロゲナーゼと同様に、ニッケルと鉄を使って常温常圧で水素を活性化する(図2)。常温常圧で水素からの電子抽出(図3)では、触媒1が常温常圧で水素を活性化し、鉄にヒドリドイオン(H)が結合した触媒2となる。触媒2は種々の電子受容体に電子を供与し、触媒1に戻る。


発表資料

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