RESEARCH
我々の研究領域
電解合成に基づく持続可能な反応プロセスの開発
20世紀から現在にかけて、化学は人類社会の発展に大きく貢献しました。その一方、今世紀に入ってからはエネルギー問題・気候変動・資源枯渇といった課題が顕在化してきています。サステイナブルな社会を実現するためには、物質生産プロセスのイノベーションが必要不可欠です。 跡部研究室では電気化学を基盤にした有機・高分子合成に関する研究を展開しています。電子を試薬とすることができる有機電解合成に立脚し、環境に調和した新しい物質合成、電気エネルギーと化学エネルギーの効率的相互変換、高度情報化社会を支える新材料の創製を目指しています。
研究内容
有機電解合成
酸化還元反応は、広義には電子の授受がある化学反応であり、酸化剤・還元剤を用いることで誘起できます。しかしながら、一般に用いられる酸化剤・還元剤は、潜在的に爆発性があるものも多く、特に工業スケールでの利用には注意が必要となります。また反応基質に対して当量の試薬が必要となるため、廃棄物の発生や精製プロセスの増加と言った本質的な課題が残ります。 有機電解合成は、いわゆる電気分解のように酸化還元反応を電極での電子移動により進行させる合成プロセスです。有機電解合成においては、電気エネルギーを駆動力とし、電子を試薬として酸化還元反応を進行させることができるため環境負荷が小さく、サステイナブルな合成プロセスとして知られています。また、電極電子移動反応により発生する化学種はユニークで高い反応性を示すことが知られており、「有機活性種化学」としての一面も知られています。 環境に優しく科学的にも興味深い有機電解合成は特に近年大きく注目され、研究室レベルの利用から工業応用に渡って、熾烈な競争が繰り広げられています。
SPE有機電解合成
SPE型リアクターとは、既に商用化されている燃料電池セルを転用した固体高分子電解質(solid-polymer electrolyte, SPE)電解ユニットであり、隔膜にプロトン交換膜(Proton Exchange Membrane, PEM)やアニオン交換膜(Anion Exchange Membrane, AEM)を用いています。PEM/AEM型リアクターの使用により、以下の特長を有する革新的な電解合成プロセスが実現することができます。
①隔膜中のイオン移動を利用することで、支持電解質の添加が不要となる。
②触媒担持多孔質カーボンを陽陰極とすることで、反応場を三次元化する。
③溶液抵抗のないエネルギー効率に優れた電解合成が可能。
④規模による効率損失が少ない。
⑤風力や太陽光などの再生可能エネルギー導入を見越した起動停止の追従性に優れる
バイオマス×有機電解合成
近年では、世界的に脱炭素社会実現に向けた動きが加速しており、根本的に石油化学製品の利用が見直されるようになってきました。このような背景から、天然に豊富に存在するバイオマス資源を炭素源とした、様々な有価値製品の創出が望まれています。一方で、従来のバイオマス変換では化石資源由来の熱エネルギーが多量に投入されており、カーボンニュートラルを達成しうる革新的な変換手法は未だ確立されていません。そこで本研究室では、環境に調和する持続可能な電解技術を基盤に、セルロースやリグニンといったバイオマス資源を原料とする多くの化合物の合成と変換に挑戦しています。
フロー有機電解合成
フロー合成は反応溶液が流路を流通しながら行う有機合成プロセスであり、フラスコ内で行うようなバッチ合成に対比される概念です。流路幅がマイクロオーダーの場合は特異な物理的環境となるため特にマイクロフロー合成と呼ばれ、①比表面積（単位体積あたりの表面積）が非常に大きい、②分子の拡散距離が非常に短い、③リアクター内の滞在時間（反応時間）を精密に制御可能、④容易にスケールアップ可能、⑤高安全性、といった利点があります。跡部研究室では、マイクロリアクターを用いたフロー電解合成について先駆的な研究を行ってきました。 マイクロリアクターを用いたフロー電解合成により、支持電解質フリーな電解合成、流路設計によるChemoselectivityの発現、効率的両極反応、系中発生活性種と後続反応試薬の時空間分離といった新概念を報告している。
ガス拡散セル
通常の有機電解合成では、気体反応の際にその溶解度によって反応速度が規定されることが原因となります。一般的な二酸化炭素電解に用いられるフロー電解装置を導入し、期待を電極背面から吹き込み、三相界面で反応させることで、高生産性での有機物の気体との反応を目的としています。
超音波
水と油は混じり合うことがないことからわかるように、多くの有機物は水に溶解しないことが多く、そのため有機合成反応は有機溶媒中で行う必要があります。しかしながら、多量の有機溶媒の利用はそのまま環境負荷に繋がるため、水を反応メディアうに用いることは極めて重要と言えます。従来、有機物を水に分散させるためには界面活性剤が用いられてきました。跡部研究室では逐次的な超音波照射により油滴がナノサイズ化することで、界面活性剤フリーで水中で安定に存在し、有機電解反応に応用可能であることを示してきました（タンデム超音波乳化法）。さらにこの手法を発展させることで、導電性高分子をはじめとする様々な高分子材料群の創出を報告しています。