関西学院大学理工学部の鎌倉吉伸氏、田中大輔准教授らの研究チームと大阪大学および大型放射光施設SPring－8の共同研究グループは、光を照射することで水を分解して水素を発生させる新しい多孔性物質の開発に成功した。本研究成果は、2019年12月24日（米国東部時間）に総合科学誌「Journal of the American Chemical Society」オンライン版に掲載。
ポイント
〇従来合成が難しいことが知られていた硫黄を含むMOFの合成に成功し、この新材料が光を照射することで水を分解して水素を発生させる触媒特性を示すことを見いだした。クリーンな太陽エネルギーによる水素発生は、燃料電池の原料供給のための重要なテクノロジーにつながる。
〇この触媒特性は、硫黄を用いることで光を吸収する効率が上がり、さらに吸収した光エネルギーを反応に利用することができるようになったためであると考えられる。
研究成果
田中准教授らの研究チームは、炭素と窒素を含んだ硫黄化合物を用いることで鉛を含む新しいMOFの結晶を開発することに成功した。これは、窒素が硫黄の反応性を低下させることで、結晶化に最適な反応条件を実現できたためであると考えられる。また、開発したMOFの分子サイズの細孔の構造を高輝度光科学研究センター（JASRI）の杉本邦久主幹研究員とのSPring－8のビームライン（BL02B1）の放射光を用いた実験から明らかにすることに成功した。さらに、関西学院大学 理工学部の吉川浩史准教授との共同研究から、その細孔には水のみが取り込まれて、アルコールなどの有機分子は入らないことも明らかにした。
関西学院大学理工学部の玉井尚登教授と片山哲郎助教のチーム、大阪大学の佐伯昭紀教授と正岡重行教授との共同研究から、この新たに開発したMOFが光を吸収することで電気を流し、さらにそのエネルギーを利用することで水を水素に変換する触媒としての能力を持つことを実証した。また、関西学院大学 理工学部の小笠原一禎教授と西谷滋人教授との計算機を用いた研究により、鉛と硫黄の原子が作るネットワークが触媒反応に重要な役割を果たしていることを明らかにした。
今後の期待
半導体特性を持つ材料に分子サイズの無数の穴を自在に開けることができれば、さまざまな触媒反応や電池の電極材料などへの応用が期待される。本研究の詳細な解析から、開発したMOFの優れた特性は、硫黄を含むことで発現したことが明らかとなった。
今後はこれらの知見を生かして、さまざまな種類の硫黄を含んだMOFが合成されることとで、より優れた特性を持つ材料の開発が期待される。特に、水から太陽エネルギーによって水素を発生させる触媒は、燃料電池によるクリーンなエネルギー源に応用できるため、さらなる高性能材料の開発が求められる。
一方で、そのような硫黄を含むMOFを合成することは難しく、合成のための反応条件の探索には膨大な試行錯誤が必要となる。今後は、このような合成の難しい材料を効率的に探索するために、人工知能を活用したマテリアルズインフォマティクス（MI）の手法の活用が期待される。
◆用語説明
〇多孔性物質
多孔性物質とは、分子サイズの小さな穴が無数に開いた構造を持つ材料で、活性炭が代表的な物質として古くから知られている。近年は、金属－有機構造体（MOF）もしくは多孔性配位高分子（PCP）と呼ばれる新しい多孔性材料が、水素や温室効果ガスの貯蔵や分離、各種触媒反応などの環境エネルギー問題の解決に有用な材料であるとして、世界中で盛んに研究開発されている。
多くのMOFは絶縁体で電気を流さず可視光を吸収しないが、もしMOFが電気を流し、光エネルギーを吸収するような半導体としての特性を示せば、高い比表面積を利用した触媒や太陽電池などのエネルギー変換材料への応用が可能になるため、半導体特性を持つMOFの開発が現在求められている。
これまで、硫黄を含んだMOFは半導体特性を示すことが知られていたが、結晶性の高い良質な硫黄を含むMOFの合成は難しく、その特性は十分に検討されてこなかった。
〇大型放射光施設SPring－8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、利用者支援などは高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。SPring－8の名前はSuper Photon ring－8 GeV（ギガ電子ボルト）に由来する。
放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、指向性が高く強力な電磁波のこと。SPring－8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジーやバイオテクノロジー、産業利用まで幅広い研究が行われている。
曇り、午後から小雨。今日の散歩は、雨が降る前の午前、風が穏やかだけど、寒い。
散歩道沿いの塀越しの”ロウバイ”、花が咲いている。花は、正月の半ば位から咲きだし、3月には終わる。
この花は、”ソイシンロウバイ（素心蝋梅）”である。花の中心の色は花びらと同じ黄色。”ロウバイ”には主に、2種類ほどが知られている。”ロウバイ（蝋梅）”と”ソシンロウバイ（素心蝋梅）”である。”ロウバイ”は中央部が暗紫色で、花弁は黄色。”ソシンロウバイ（素心蝋梅）”は、中央部の色も黄色、花弁も花中心も同じ（黄色と同色）。
咲いた花と一緒に、昨年からの果実が見える。果実は、長径数cmほどの楕円形で、中に数個の種子がある。・・この数個を頂き、鉢に植えてみた・・芽が出るかな？。
名（ロウバイ：蝋梅）の由来には、「蝋細工の様な梅に似た花」説、「花色が蜜蝋（みつろう）に似ている」説、「臘月（ろうげつ、旧暦の12月）に、梅に似た香りの花」説がある。
ロウバイ（蝋梅）
別名：唐蝋梅（とうろうばい）、唐梅（とうばい、からうめ）
学名：蝋梅 Chimonanthus praecox
素心蝋梅 Chimonanthus praecox f. concolor
ロウバイ科ロウバイ属
落葉低木（丈は2m～4m）
原産地は中国、17世紀頃に渡来
開花時期は1月～3月
花径は2cm程
果実の種子は、抑制性神経伝達物質の放出を阻害して痙攣を誘発する有毒物質「カリカンチン」を含む
ポイント
〇従来合成が難しいことが知られていた硫黄を含むMOFの合成に成功し、この新材料が光を照射することで水を分解して水素を発生させる触媒特性を示すことを見いだした。クリーンな太陽エネルギーによる水素発生は、燃料電池の原料供給のための重要なテクノロジーにつながる。
〇この触媒特性は、硫黄を用いることで光を吸収する効率が上がり、さらに吸収した光エネルギーを反応に利用することができるようになったためであると考えられる。
研究成果
田中准教授らの研究チームは、炭素と窒素を含んだ硫黄化合物を用いることで鉛を含む新しいMOFの結晶を開発することに成功した。これは、窒素が硫黄の反応性を低下させることで、結晶化に最適な反応条件を実現できたためであると考えられる。また、開発したMOFの分子サイズの細孔の構造を高輝度光科学研究センター（JASRI）の杉本邦久主幹研究員とのSPring－8のビームライン（BL02B1）の放射光を用いた実験から明らかにすることに成功した。さらに、関西学院大学 理工学部の吉川浩史准教授との共同研究から、その細孔には水のみが取り込まれて、アルコールなどの有機分子は入らないことも明らかにした。
関西学院大学理工学部の玉井尚登教授と片山哲郎助教のチーム、大阪大学の佐伯昭紀教授と正岡重行教授との共同研究から、この新たに開発したMOFが光を吸収することで電気を流し、さらにそのエネルギーを利用することで水を水素に変換する触媒としての能力を持つことを実証した。また、関西学院大学 理工学部の小笠原一禎教授と西谷滋人教授との計算機を用いた研究により、鉛と硫黄の原子が作るネットワークが触媒反応に重要な役割を果たしていることを明らかにした。
今後の期待
半導体特性を持つ材料に分子サイズの無数の穴を自在に開けることができれば、さまざまな触媒反応や電池の電極材料などへの応用が期待される。本研究の詳細な解析から、開発したMOFの優れた特性は、硫黄を含むことで発現したことが明らかとなった。
今後はこれらの知見を生かして、さまざまな種類の硫黄を含んだMOFが合成されることとで、より優れた特性を持つ材料の開発が期待される。特に、水から太陽エネルギーによって水素を発生させる触媒は、燃料電池によるクリーンなエネルギー源に応用できるため、さらなる高性能材料の開発が求められる。
一方で、そのような硫黄を含むMOFを合成することは難しく、合成のための反応条件の探索には膨大な試行錯誤が必要となる。今後は、このような合成の難しい材料を効率的に探索するために、人工知能を活用したマテリアルズインフォマティクス（MI）の手法の活用が期待される。
◆用語説明
〇多孔性物質
多孔性物質とは、分子サイズの小さな穴が無数に開いた構造を持つ材料で、活性炭が代表的な物質として古くから知られている。近年は、金属－有機構造体（MOF）もしくは多孔性配位高分子（PCP）と呼ばれる新しい多孔性材料が、水素や温室効果ガスの貯蔵や分離、各種触媒反応などの環境エネルギー問題の解決に有用な材料であるとして、世界中で盛んに研究開発されている。
多くのMOFは絶縁体で電気を流さず可視光を吸収しないが、もしMOFが電気を流し、光エネルギーを吸収するような半導体としての特性を示せば、高い比表面積を利用した触媒や太陽電池などのエネルギー変換材料への応用が可能になるため、半導体特性を持つMOFの開発が現在求められている。
これまで、硫黄を含んだMOFは半導体特性を示すことが知られていたが、結晶性の高い良質な硫黄を含むMOFの合成は難しく、その特性は十分に検討されてこなかった。
〇大型放射光施設SPring－8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、利用者支援などは高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。SPring－8の名前はSuper Photon ring－8 GeV（ギガ電子ボルト）に由来する。
放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、指向性が高く強力な電磁波のこと。SPring－8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジーやバイオテクノロジー、産業利用まで幅広い研究が行われている。
曇り、午後から小雨。今日の散歩は、雨が降る前の午前、風が穏やかだけど、寒い。
散歩道沿いの塀越しの”ロウバイ”、花が咲いている。花は、正月の半ば位から咲きだし、3月には終わる。
この花は、”ソイシンロウバイ（素心蝋梅）”である。花の中心の色は花びらと同じ黄色。”ロウバイ”には主に、2種類ほどが知られている。”ロウバイ（蝋梅）”と”ソシンロウバイ（素心蝋梅）”である。”ロウバイ”は中央部が暗紫色で、花弁は黄色。”ソシンロウバイ（素心蝋梅）”は、中央部の色も黄色、花弁も花中心も同じ（黄色と同色）。
咲いた花と一緒に、昨年からの果実が見える。果実は、長径数cmほどの楕円形で、中に数個の種子がある。・・この数個を頂き、鉢に植えてみた・・芽が出るかな？。
名（ロウバイ：蝋梅）の由来には、「蝋細工の様な梅に似た花」説、「花色が蜜蝋（みつろう）に似ている」説、「臘月（ろうげつ、旧暦の12月）に、梅に似た香りの花」説がある。
ロウバイ（蝋梅）
別名：唐蝋梅（とうろうばい）、唐梅（とうばい、からうめ）
学名：蝋梅 Chimonanthus praecox
素心蝋梅 Chimonanthus praecox f. concolor
ロウバイ科ロウバイ属
落葉低木（丈は2m～4m）
原産地は中国、17世紀頃に渡来
開花時期は1月～3月
花径は2cm程
果実の種子は、抑制性神経伝達物質の放出を阻害して痙攣を誘発する有毒物質「カリカンチン」を含む