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水素を電子として利用する水素エネルギーキャリアの開発

〜新発想エネルギーキャリアの常温合成と直接利用〜
ポイント
研究が必要とされる背景:カーボンニュートラルの実現には、気体のままでは貯蔵・運搬の効率が低い水素を、多くのエネルギーを必要としないで貯蔵・運搬し、そのまま利用できる技術の革新が求められている。
当該研究の内容:(1)常温で水素から「1電子」を抽出・貯蔵できる新しい発想の水素エネルギーキャリアとなるニッケル化合物を開発した。(2)必要な時に水素エネルギーキャリアの電子をそのまま還元反応に利用できる。(3)開発した水素エネルギーキャリアは電子還元剤としてだけではなく、触媒としても機能する。
社会に及ぼす影響:(1)本研究は、水素の電子を「常温抽出」「長期間貯蔵」「直接利用」できる新たしい水素エネルギーキャリアを開発した。(2)開発した水素エネルギーキャリアは安価な鉄族元素の一つであるニッケルの化合物である。今後は、さらに安価な鉄の使用を検討する。(3)学術的には、天然のヒドロゲナーゼ酵素と同様に、本研究のニッケル化合物も、ニッケルの酸化数が+1の状態で水素から電子を貯蔵することを明らかにした。

概要
カーボンニュートラルの実現には、気体のままでは貯蔵・運搬の効率が低い水素を、多くのエネルギーを必要としないで貯蔵・運搬し、そのまま利用できる水素エネルギーキャリアの革新が求められています。 九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I²CNER)/大学院工学研究院の小江誠司(おごうせいじ)主幹教授らの研究グループは、近畿大学との共同研究により、常温で水素から「1電子」を抽出・貯蔵できる新しい発想の水素エネルギーキャリアとなるニッケル化合物を開発しました。開発した水素エネルギーキャリアは、電子を3ヶ月以上安全に貯蔵できて、必要な時に貯蔵した電子をそのまま還元反応に利用できます。学術的には、開発したニッケル化合物は、水素の合成や分解を担う天然のヒドロゲナーゼ酵素と同様に、ニッケルの酸化数が+1の状態で水素から電子を貯蔵することを示しました。 本研究成果は、ドイツの雑誌「Chemistry—A European Journal」オンライン版で令和5年9月25日(月)午前11時(日本時間)に公開されました。

小江主幹教授からひとこと
安価な鉄族元素の一つであるニッケルを使用することで、水素エネルギーキャリア開発の道が開けました。これまでは、白金族元素を触媒として類似の反応を行なっていましたが、高価なためエネルギーキャリアとして使用するという発想はありませんでした。

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⽔素と酸素から過酸化⽔素を安全に合成する触媒を開発

〜次世代のエネルギーである⽔素を利⽤した合成反応の開拓〜
ポイント
① 次世代のエネルギーである「⽔素」の新しい利⽤が求められている。
② ⽔素と酸素を爆発の危険性がほとんどない安全な混合⽐率で、⼀つのフラスコで効率よく過酸化⽔素を合成する触媒の開発に成功した。
③ 今回の成果をもとに、今後、次世代のエネルギーである「⽔素」を電⼦源とする新たな反応開発と、このような⽅法で合成した「過酸化⽔素」のさらなる利⽤に期待。

概要
九州⼤学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I²CNER)/⼤学院⼯学研究院の⼩江誠司(おごうせいじ)主幹教授らの研究グループは、三菱ガス化学株式会社との共同研究により、⽔素の合成や分解を担う天然ヒドロゲナーゼ酵素の機能をヒントに新しい触媒を開発しました。今回開発した触媒を⽤いることで、爆発の危険性がほとんどない⽔素と酸素の混合⽐率で、⼀つの容器で効率的に過酸化⽔素を合成することができます。この触媒の性能は、これまで報告された均⼀系触媒で世界最⾼値を⽰します。本研究は、ヒドロゲナーゼ酵素の機能を模倣することで新たな分⼦触媒を開発できたという学術的な価値だけでなく、次世代のエネルギーである⽔素を利⽤した新たな合成反応の基盤となる成果となります。本研究成果は、アメリカ学術雑誌『Journal of the American Chemical Society』オンライン版で令和5年2⽉17 ⽇(⾦)に公開されました。

小江主幹教授からひとこと
天然のヒドロゲナーゼ酵素の機能をヒントに新しい触媒を開発しました。開発した触媒に水素と酸素を入れるだけで、過酸化水素を作り出すことができます。

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好熱性シアノバクテリアから新規多量体構造の光捕集色素タンパク質を発見



 



  シアノバクテリアなどの水中光合成生物は効率的に光エネルギーを化学エネルギーに変換するためにフィコビリソームと呼ばれる巨大な光捕集アンテナ色素タンパク質の複合体を有しています。フィコビリソームを構成する複数種の色素タンパク質は構造が明らかにされており、いずれの構造も3量体が重なったドーナツ型6量体であることが、いわばこれまでの常識でした。




 本研究では、阿蘇くじゅう国立公園内の温泉から新規に単離した好熱性シアノバクテリアの一種Thermoleptolyngbya sp. O-77から色素タンパク質フィコシアニンを精製し、X線結晶構造解析及びクライオ電子顕微鏡単粒子解析によって構造を明らかにしたところ、従来知られていた6量体のほかに、4量体が重なったドーナツ型8量体も存在するということを世界で初めて見出しました(参考図)。同一の組成を有する単量体ユニットが異なる多量体構造をとることは極めて珍しく、タンパク質の機能的・進化的観点からも興味深い研究成果です。また、8量体結晶は直径10 nmに及ぶ特異的な巨大空間を有しており、優れた触媒や吸着剤として利用できることも示唆されました。色素タンパク質の新しい形成メカニズムの提示やこれまでに知られていなかった8量体の構造的知見により、本研究は今後、フィコビリソームの形成プロセスやシアノバクテリアの光捕集におけるエネルギー移動機構の解明、さらには高効率な人工光合成システムの開発に役立つことが期待されます。

 


 本研究は九州大学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)の尹基石准教授と湊拓生博士 (現広島大学助教)の研究グループ、同大学大学院農学研究院の角田佳充教授と寺本岳大助教の研究グループ、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所の千田俊哉教授と安達成彦特任准教授の研究グループとの共同研究により、九州大学大学改革活性化制度や日本医療研究開発機構の創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム(JP21am0101071)などの支援を受けて実施されました。



 本成果は令和3年10月29日(金)(日本時間)に英国の学術誌『Communications Biology』にオンライン掲載されました。(DOI: 10.1038/s42003-021-02767-x)



研究者からひとこと:

 私たちは当初本研究とは異なる別の目的でフィコシアニンを単離していました。フィコシアニンの構造は既に広く知られていましたが、研究の過程で私たちのサンプルも一応結晶化を試み構造を確認したところ、予期せず新しい多量体構造の発見に繋がりました。想定外の結果が新発見に結び付くことは頻繁には味わえない研究の醍醐味でもあるため、本成果を発表でき大変嬉しく思います。



プレスリリースHP



Chemical Communications の表紙に採択!

  • By 管理者
  • 2021-05-13
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