必見！智慧得（883）「燃料電池:鉄とニッケルでコスト減の触媒開発／小江誠司」

燃料電池:鉄とニッケルでコスト減　九大が触媒開発に成功− 毎日ｊｐ(毎日新聞)2013年02月08日

　燃料電池に欠かせない化学反応を促す触媒に、安価な金属である鉄とニッケルを活用することに初めて成功したと、九州大の小江（おごう）誠司教授＝錯体（さくたい）化学＝の研究グループが発表した。チームによると、従来の触媒に使われる白金は、１グラム当たり約２４００円で、燃料電池のコスト増大要因の一つだった。これに比べて鉄は約０．０６円、ニッケルは約１．６円といい、安価な燃料電池の開発につながると期待される。７日付の米科学誌「サイエンス」電子版に論文が掲載される。

　燃料電池は、水素と酸素が化学反応する時に出す電気エネルギーを利用する。副産物が水なのでクリーンエネルギーとして注目され、車や家庭用に普及しつつある。

　化学反応には通常、白金を触媒にして水素から電子を取り出すことが必要だ。小江教授らは、地下水に存在する微生物などが持つ酵素「ヒドロゲナーゼ」に、白金と同様に水素から電子を取り出す作用があることに着目。鉄とニッケルを使って、ヒドロゲナーゼとよく似た分子構造の触媒を合成。この触媒を使って常温、常圧で化学反応に成功したとしている。【斎藤有香】

2013/2/8

貴金属使わない燃料電池向け触媒　九大、生産コスト大幅削減　　：日本経済新聞

　九州大学の小江誠司教授らの研究グループは、貴金属を使わない燃料電池向けの新たな触媒を開発した。触媒は鉄とニッケルの化合物で、燃料電池の発電で水素から電子を取り出す際に使う。生産コストは貴金属を使った従来の触媒に比べ最大3000分の１程度に削減できるという。研究グループは今後、燃料電池への実用化を急ぐ。

　鉄は化学反応を起こして変質しやすいため、触媒に使うのが難しかった。研究グループは鉄をリンで覆った上でニッケルとの化合物にすることで、触媒に適した新素材を開発するのに成功した。

　水素から電子を取り出す触媒には現在、白金のほか、ルテニウムとニッケルの化合物を使用。ただ、白金やルテニウムは高価で、生産コストが高止まりしていた。新たな触媒は白金に比べ約3000分の１、ルテニウムとニッケルの化合物に比べ約150分の１にコストを圧縮できるという。

　研究グループは今後、水素から取り出した電子と酸素を反応させる際に必要な触媒でも鉄を使った安価な新素材を開発する方針。小江教授は「酸素でも安価な触媒が開発できれば、燃料電池の大幅なコスト削減が期待できる」としている。

共同発表：水素から電子を取る貴金属フリー触媒を開発—水素活性化酵素の完全モデル化に成功—（貴金属ルテニウムの代わりに価格１／４０００の鉄を使用）

九州大学
Tel：092-642-2106（広報室））

九州大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
Tel：03-5214-8404（広報課）

国立大学法人 九州大学（総長　有川 節夫、以下「九州大学」という）、一般財団法人 総合科学研究機構、国立大学法人 茨城大学の研究グループ（代表：九州大学　小江 誠司（おごう せいじ）　教授）は共同研究により、自然界に存在する水素活性化酵素「ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼ注１）」をモデル（模範）として、同様の働きをする新しいニッケル−鉄触媒注２）を開発しました。そして、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ました。これまで、自然界の酵素をモデルとすることで、安全・高性能・低コストな人工触媒の開発が多く試みられてきました。これまでの、最良の機能モデルは、２００７年に九州大学の同研究グループが開発したもので、「鉄」ではなく貴金属である「ルテニウム」を使用したニッケル−ルテニウム触媒注３）でした。今回、ルテニウム（２４０円／ｇ）の代わりに、約１／４０００の価格の鉄（０．０６円／ｇ）を使用した系での水素の活性化に初めて成功し、学術的な価値だけでなく、今後の燃料電池用の触媒などへの応用を考えると画期的な進歩といえます。

本研究は、文部科学省により創設された世界トップレベル研究拠点プログラム（ＷＰＩ）の拠点である「カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所（Ｉ２ＣＮＥＲ）」（所長　ペトロス・ソフロニス）、科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）研究課題「水素活性化アクア触媒界面による常温・常圧エネルギー変換」、および文部科学省 科学研究費補助金・新学術領域研究「感応性化学種が拓く新物質科学」の研究の一環として、九州大学の小江 誠司　教授の研究グループが九州大学 伊都キャンパスおよび福岡市産学連携交流センターで行ったものです。

研究成果は、２０１３年２月７日（木）（米国東部時間）に米国科学雑誌「Ｓｃｉｅｎｃｅ」のオンライン版で公開されます。

＜背　景＞

安全でクリーンでしかも持続可能なエネルギーを供給することは、21世紀の重要な課題の一つです。水素はそのエネルギーキャリアーとしての役割を担っていけるかどうかが問われています。自然界では、水素活性化酵素「ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼ」が常温常圧という温和な条件で、エネルギーキャリアーである水素から電子を取り出していますが、これまで同様の反応を同条件で人工的に行うことはできませんでした。九州大学の小江 誠司（おごう せいじ）　教授を中心とする研究グループは、これまでに、水素活性化酵素であるニッケル−鉄ヒドロゲナーゼ（図１）の人工モデルとなるニッケル−ルテニウム触媒（図２）の合成（２００７年４月２５日プレスリリース）、その触媒を用いて常温常圧で水素から電子の取り出し（２００８年８月９日プレスリリース）および分子燃料電池の開発（２０１１年９月６日プレスリリース）に成功していました。しかし、それらの研究では、高価な貴金属であるルテニウムを使用していることが問題点でした。

（参考価格：ニッケル：１．６円／ｇ、ルテニウム：２４０円／ｇ、鉄：０．０６円／ｇ）

＜内　容＞

今回、九州大学を中心とする研究グループは、自然界の水素活性化酵素であるニッケル−鉄ヒドロゲナーゼをモデルとして、新たなニッケル−鉄触媒（図３）の開発と、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等）に移動させること（図４）に成功しました。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ました。これまでニッケルか鉄の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ませんでした。

＜効　果＞

本研究の成果により、ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼによる水素活性化のメカニズムの解明と、貴金属フリー触媒による水素活性化の研究が飛躍的に前進しました。

＜今後の展開＞

今後は、水素エネルギー利用技術の発展、例えば、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につながるものと期待できます。

＜参考図＞ 図１　ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼの活性中心の構造（Ｃｙｓ＝システイン残基） 図２　ニッケル−ルテニウム触媒の構造 図３　ニッケル−鉄触媒の結晶構造（本研究） 図４　ニッケル−鉄触媒を用いた水素からの電子抽出（本研究） ＜用語解説＞ 注１） ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼ自然界に存在する、水素を活性化する酵素です。その活性中心は、図１のように、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）がシステイン残基（Ｃｙｓ）のイオウ原子（Ｓ）によって架橋された２核構造です。Ｘは、休止状態ではＨ２Ｏ、ＯＨ-、またはＯ２-、活性化状態ではＨ-と考えられています。注２） ニッケル−鉄触媒今回、九州大学の小江 誠司　教授を中心とする研究グループが開発した、ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼの人工モデル触媒です（Ｓｃｉｅｎｃｅ　２０１３　ｉｎ　ｐｒｅｓｓ）。自然界のニッケル−鉄ヒドロゲナーゼと同様に、ニッケル（Ｎｉ）と鉄（Ｆｅ）を使って常温常圧で水素を活性化します。Ｘ線及び中性子回折により、その人工モデル触媒の構造を明らかにしました（図３）。注３） ニッケル−ルテニウム触媒２００７年に九州大学の小江 誠司　教授を中心とする研究グループが開発した、ニッケル−鉄ヒドロゲナーゼの人工モデル触媒です（図２）。この人工モデル触媒は、鉄（Ｆｅ）の代わりにルテニウム（Ｒｕ）を用いて、常温常圧で水素を活性化します（Ｓｃｉｅｎｃｅ　２００７、３１５、５８５−５８７で発表、２００７年４月２５日にプレスリリース）。注４） 常温常圧で水素からの電子抽出具体的には図４の触媒サイクルです。触媒１が常温常圧で水素を活性化し、鉄（Ｆｅ）にヒドリドイオン（Ｈ-）が結合した触媒２となります。触媒２は種々の電子受容体に電子を与え、触媒１に戻ります。 ＜掲載論文＞

題目：A Functional [NiFe]Hydrogenase Mimic that Catalyzes Electron and Hydride Transfer from H2

著者：Seiji Ogo, Koji Ichikawa, Takahiro Kishima, Takahiro Matsumoto, Hidetaka Nakai, Katsuhiro Kusaka, Takashi Ohhara

雑誌名：Science

DOI: 10.1126/science.1231345

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教授　小江　誠司（Seiji Ogo）

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