金ナノ粒子触媒はプラスチック廃棄物を有用な化合物に変えるのに役立ちます

東京都立大学2023年3月20日

科学者たちは、酸化ジルコニウムの表面に担持された金ナノ粒子が、バイオマスやポリエステルなどの廃棄物を、さまざまな用途で使用される貴重な化学物質である有機シラン化合物に変えることができることを発見しました。 このプロトコルは、金ナノ粒子と酸化ジルコニウム担体の両性性質の間の連携を活用した、廃棄物をアップサイクルするためのより環境に優しく、要求の少ない方法です。

担持された金ナノ粒子触媒はポリエステルとバイオマスをアップサイクルできます。

Researchers from Tokyo Metropolitan University have found that gold nanoparticles supported on a zirconium oxide surface help turn waste materials like biomass and polyester into organosilane compounds, valuable chemicals used in a wide range of applications. The new protocol leverages the cooperation between gold nanoparticles and the amphoteric (both acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">酸および塩基）酸化ジルコニウム担体の性質。 その結果、要求の厳しい条件が緩和され、廃棄物をアップサイクルするためのより環境に優しい方法が得られます。

リサイクルは、プラスチック廃棄物の世界的な問題に対する人類の解決策の大きな部分を占めています。 その多くはプラスチック廃棄物をプラスチック製品に変えることに関するものです。 しかし、科学者たちは廃棄物の資源としての利用を促進するための代替アプローチも模索してきました。 これには、廃棄物をまったく新しい化合物や製品に変換するアップサイクルが含まれます。これらの製品は、その製造に使用された材料よりも価値が高くなります。

エーテルおよびエステルは、酸化ジルコニウム基板上にマウントされた金ナノ粒子からなるハイブリッド触媒の存在下でジシランと反応します。 担体上の金ナノ粒子と酸性部位と塩基性部位の両方の存在は、エーテル基とエステル基をシラン基に変換するのに役立ちます。 提供：首都大学東京

A team of researchers from Tokyo Metropolitan University led by Associate Professor Hiroki Miura has been working on the conversion of plastic and biomass to organosilanes, organic molecules with a silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">炭素とシリコンの結合を形成するために結合した原子。 オルガノシランは、医薬品および農薬の製造における高性能コーティングおよび中間体における貴重な材料です。 ただし、ケイ素原子の追加には、空気や湿気に敏感な試薬が含まれることが多く、厳しい酸性または塩基性条件は言うまでもなく、高温が必要です。 これにより、変換プロセス自体が環境負荷となる可能性があります。

今回、研究チームは、酸化ジルコニウム担体上に担持された金ナノ粒子からなるハイブリッド触媒材料を適用した。 この触媒は、ポリエステルなどのプラスチックやセルロースなどのバイオマス化合物に豊富に含まれるエーテル基とエステル基を取り込み、ジシランとして知られるシリコン含有化合物との反応を助けます。 溶液中で穏やかに加熱すると、エステル基またはエーテル基が存在する場所にオルガノシラン基を生成することに成功した。 研究チームは、メカニズムの詳細な研究を通じて、金ナノ粒子と担体の両性（塩基性と酸性の両方）の性質との間の協働が、温和な条件下での原料の効果的かつ高収率の変換に関与していることを発見した。

プラスチック廃棄物の処理には燃焼や強酸性/塩基性条件が必要な場合が多いことを考慮すると、プロセス自体は、はるかに要求の少ない条件下でポリエステルを分解する簡単なルートをすでに提供しています。 ただし、ここで重要な点は、反応生成物自体が価値のある化合物であり、新しい用途にすぐに使用できるということです。 研究チームは、オルガノシラン生産へのこの新しいルートが、プラスチックが環境に流出せず、社会でより有用な製品となるカーボンニュートラルな未来への道筋の一部となることを期待している。

参考文献：「金ナノ粒子と両性酸化ジルコニウムの協力による非活性化C(sp3)-O結合のホモリシスによる多様なアルキル-シリルクロスカップリング」（三浦弘樹、土井正文、安井祐樹、正木陽介、西尾秀典、獅子戸哲也） 、2023 年 2 月 20 日、Journal of the American Chemical Society.DOI: 10.1021/jacs.2c12311

本研究は、触媒・電池のための元素戦略推進プログラム（ESICB）（課題番号 JPMXP0112101003）、JST FOREST プログラム（課題番号 JPMJFR203V）、科学研究費補助金基盤研究（B）（課題番号 21H01719）の支援を受けて行われました。 、挑戦的研究（萌芽）（助成金番号 22K18927）、および文部科学省委託による新学術領域研究（助成金 17H06443）。