第14回自然科学研究機構シンポジウム
分子が拓くグリーン未来(2013年3月20日開催)

講演者への質問とその回答


当日参加者の皆様から寄せられた質問に対する講演者の先生方からの回答です。


※下記の質問をクリックすると、回答が表示されます。
※頂戴した質問の中には、一部回答できないものがございました。ご容赦をお願いします。


A1:
植物の葉では、酸化と還元が離れた場所で行われます。太陽光エネルギーにより励起された電子が電子伝達系を移動することによって、光を吸収した場所とは別の場所で還元反応が行われます。
(回答者:分子科学研究所・正岡重行先生)
A2:
映像でお示しした反応では、水から取り除かれた電子はほかの化学物質(酸化剤)と反応しているため、水素の発生は抑えられています。
(回答者:分子科学研究所・正岡重行先生)
A3:
過電圧が大きい(酸素の発生に大きなエネルギーが必要)という問題点があります。また、触媒耐久性も大きな課題です。自然界では、触媒の劣化を自己修復する機能が備わっていますが、人工触媒でそのような機能を持たせることは大変困難です。
(回答者:分子科学研究所・正岡重行先生)
A5:
仝エネルギー変換効率を比較すると、半導体触媒の方が一歩先を行っています。金属錯体は、反応機構解明・機能制御が比較的容易である点で有利です。可視光を吸収できる色素材料としても、金属錯体は広く研究されています。半導体と金属錯体を組み合わせた複合材料の研究も行われています。
⇒諭垢弊限竜’夙現には、金属錯体がかかわっています。例えば、ヘモグロビンが行う酸素運搬機能には、金属錯体が重要な役割を果たしています。有機物、無機物だけでこのような機能を発現するのはとても困難です。
人工光合成では、二酸化炭素を還元するための電子が必要になります。酸素発生は水から電子を引き抜く反応であり、人工光合成の実用化に欠かせない反応です。
(回答者:分子科学研究所・正岡重行先生)
A6:
今回お示しした電流−電位曲線では、フェロセンの酸化還元を基準にした電位で示しています。水の電解電圧の1.2Vとは意味合いが異なります。また、光非照射下で得られたデータであり、光エネルギーの力を借りず、電気エネルギーのみで触媒がどのように機能するかを評価した基礎的な研究です。触媒がない条件下では電流が流れないため、鉄クラスターが触媒として機能していることがわかります。
(回答者:分子科学研究所・正岡重行先生)
A7:
研究室のフラスコを用いれば、数グラム程度のMOFを合成できます。また、最近では工場のタンク内でも合成が出来るようになってきており、一度の反応で、数キログラムのオーダーのMOFの合成も可能で、実際、市販されているものもあります。
ゲスト分子が入る際、もちろん場合によっては、静電反発が起こる系もありますが、ほとんどの場合は分子間力や水素結合などの効果で導入されます。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A8:
可能です。ただ、そのようなMOFを合成するのは難しいのは確かです。二種類の異なる金属を導入すれば、特異な吸着挙動や色々な反応の触媒として利用が可能になります。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A9:
架橋を行うとその後の成型が難しくはなります。現在はまだ基礎研究の段階ですので、MOFの空間を用いると全く今までとは異なる高分子ができることを示すのが重要です。コストに関しても、クリアーする課題は多いと思いますが、MOFの空間から溶媒を使って高分子を抽出することは可能ですので、原理的には再利用することができます。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A10:
金属イオンとそれらを架橋する有機配位子との配位結合により、自己組織化します。配位子内のアミノ基やカルボン酸などのサイトが金属イオンと結合します。配位子の設計をうまく行うことで、空間のサイズや形状の調整が可能です。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A11:
実際のエンプラ材料では結晶性の高い(高分子鎖が並んだ)ものが使用されていることが多いので、我々の系でも強度の向上が期待されます。ただ、ご指摘のように強度の異方性というのは出てくる可能性は高いです。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A12:
非常に面白いアイデアです。難しい課題になるとは思いますが、超電導性を示すような材料をMOFの空間内に拘束することはできるかもしれませんので、挑戦する価値はあると思います。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A13:
MOFを吸着材として利用した後、ガスを除いて再利用することは可能です。コストに関しても今後この材料がどれくらい使用されるかにもよりますが、現在、多くの会社との共同研究を展開しており、有用な吸着材としての応用に向けて、挑戦を行っているところです。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A14:
作りたいMOFにもよりますが、中には金属イオンと有機配位子を混ぜて数秒でMOFができるものもります。本当に一瞬の反応でできてしまいます。成形された固体をナノ化することは難しいので、合成する段階で様々な条件(反応濃度、温度、添加剤なそ)を変えることで、粒子サイズの調整が可能です。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A15:
目的とするナノ空間を作るために、有機配位子の設計を行います。基本的には橋かけ配位子の長さが長いほど大きなサイズの空間ができます。
分子量分布に関しては、MOFの中で合成しても分布は出てきますが、通常のものに比べて分布は狭くなる傾向にあります。空間内でラジカル重合を行うと、生成する成長ラジカルが空間内で保護され、停止反応などの余計な副反応が起きないためです。
(回答者:京都大学・植村卓史先生)
A16:
新型太陽電池のペイバック計算は、手探りのところが大きいです。私が示しましたのは、企業からの発表の一端を聞きかじった情報です。有機太陽電池は市場発売の経験がない商品ですから、販売を計画している企業は真剣にコスト計算しているはずですが、外部にはほとんど発表されていません。
(回答者:分子科学研究所・平本昌宏先生)
A17:
行政など、社会的基準作りの詳細が分かっている訳ではないので、一般的なお話しかできませんが、リサイクル、リユースは非常に重要です。というのは、太陽電池の材料を作るのに、すでにエネルギーを使っているため、リサイクルしてその分のエネルギーをなくして新しい太陽電池を作ることが長期的には大事になるためです。また、シリコン以外の、太陽電池には、有害な材料が使われていることもあるため、その場合は、完全に回収することが必須で、基準、取り組みがなされていると思います。
(回答者:分子科学研究所・平本昌宏先生)
A18:
ある会社は、寿命を30年保証するといって販売していましたが、会社自体がつぶれる事態が起こり、事実上保証なしになったと考えられます。このような場合、誰が保証するのかということが問題になります。現状では、太陽電池が利益をあげるのは10年近い時間がかかるため、それまでに劣化してしまうと、投資を回収できないことになってしまいます。10年後にその会社が存在するかどうかは、分からない面もあるのではないでしょうか。おっしゃる通り、しっかりと定義された寿命、コストペイバックタイムを表示できるのが良いと思いますが、後者は、買い取り電気料金価格(今は38円)の今後の動きにもかかわり、予測が難しい部分もあります。信頼がすでに確立されているメーカーの製品を買うことが大事になると思います。
(回答者:分子科学研究所・平本昌宏先生)
A19:
太陽電池動作中の温度は80℃程度になることがあります。その程度で有機半導体が分解することはありませんが、2つの有機半導体が混合された活性層のナノ構造は変化することがあり得ます。いずれにしても、長期耐久性(熱、湿度、時間)を定量的に評価し、フィールド試験を行って耐久性を実証していくしかありません。10年間の耐久性といっても10年待つ訳にはいきませんので、なんらかの加速試験が必要になります。その方法、基準については、有機太陽電池においても国際的な基準が話し合われる機運があります。
(回答者:分子科学研究所・平本昌宏先生)
A20:
これは非常に難しい問題ですが、当面は天然ガスや石油・石炭などの化石燃料に頼ることになります。しかしながらシアノバクテリアなどは、日中に光合成で蓄えた糖類をエネルギー源として、夜間に窒素固定を行っています。我々も光エネルギーを使って、窒素と水からアンモニアを合成することを将来の目標として掲げております。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A21:
工業化のためにはまだ越えなければならないハードルが沢山残されており、少なくとも10年は必要と思います。しかしながら何らかの新しい知見は突然見つかるものであり、研究を継続して取り組むことによってこれらの問題の解決も難しいものではないと信じております。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A22:
ハーバー・ボッシュ法と我々の手法とは、反応条件が余りにも異なりすぎて比較することができませんし、現状ではハーバー・ボッシュ法に到底及びもしません。しかしながら我々の系はより小規模な装置で、より穏和な条件で反応が行えるという点がメリットです。一つの目安として、ニトロゲナーゼによる窒素固定の反応効率を上回ることが挙げられますが、そのためには現在の我々の系の反応速度を約1万倍以上に上昇させ、また触媒寿命を数時間程度の現状から半永久的に伸ばす必要があります。またハーバー・ボッシュ法を超えるためには、少なくとも還元剤とプロトン化剤の調整法には大幅な改良が必要です。難しいように見えますが、こうしたことはちょっとした発見で突然解決されるもので、研究を継続して取り組むことによって解決することは決して難しいことではないと思います。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A23:
窒素は人間のみならず、すべての生物が生きる上で必須の元素ですが、それも大気中の窒素ガスをアンモニアとして固定化するバクテリアが存在することで、はじめて利用できるものです。窒素ガスからのアンモニアの合成方法がより経済的なものになれば、我々人類の発展のためにも大きな前進となります。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A24:
アンモニアには毒性、腐食性、異臭があり、エネルギー源として使うにはいくつか克服するべき技術上の問題があります。しかしながら現状でもアンモニアは業務用冷蔵語の冷媒として使われており、これらの問題は容易にクリアできるものと考えております。現在は可燃性が高いガソリン等がエネルギーとして利用されていることを考慮しますと、アンモニアをエネルギー源として利用することは決して不可能ではないかと思われます。実際に、本年度(平成25年度)から文部科学省主導の研究課題として研究が展開されることになっています。これにより、アンモニアをエネルギーとして利用する社会の実現が近くなると確信しています。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A25:
水素燃料電池の理論上の発電効率が83%であるのに対し、アンモニア燃料電池の理論上の発電効率は89%で、水素の発電効率を上回ります。しかしながら現状ではこれらの発電効率は実現していません。さらにこれらの水素、アンモニアを合成する段階で投入されたエネルギーからの蓄電効率となると、さらにロスが生じます。ご指摘にあった水素の場合の蓄電効率22%というのは、実際に水を電気分解して水素を合成し、その水素を使って発電するということを2006年当時の技術で実証した結果であり、技術革新によってこの蓄電効率もよりよくなると思います。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A26:
アンモニアをエネルギー源として直接利用するアンモニア燃料電池の開発やアンモニアを直接燃焼させてエネルギーとして使用する方法などもまだまだ十分とは言えません。一方、アンモニア合成そのものの現在のハーバー・ボッシュ法では効率的とは言えません。アンモニア社会実現には実際に社会で使用することを念頭にいれた検討も必要かと思われます。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A27:
ニトロゲナーゼ上での窒素分子の活性化の反応機構には諸説あり、いまだ結論はありませんが、反応が起こる部位には鉄とモリブデンと硫黄とからなる多核金属構造(クラスター)が存在します。窒素分子が配位した部位では、金属側から窒素側へ電子が押し込まれることで、窒素と金属の結合が強固になり、逆に配位した窒素分子内の窒素―窒素結合は弱くなって、開裂し易い状況となります。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A28:
アンモニアから取り出せるエネルギーは重量当たりで計算すると約77.8 kcal/gで、水素(502 kcal/g)や、メタン(209 kcal/g)、イソオクタン(186 kcal/g)などの炭化水素、メタノール(83.4 kcal/g)などと比べると重量当たりのエネルギー量は少ないといえます。しかしながらアンモニアは液化することで体積を稼ぐことができるので(53.1 kcal/mL)、液体水素(35.6 kcal/mL)よりも体積当たりのエネルギー量は高くなります。それでもイソオクタン(128 kcal/mL)、液化メタン(88.4 kcal/mL)などの炭化水素や、メタノール(65.6 kcal/mL)よりも若干少ないといえますが、アンモニアを利用することの利点は、燃焼により二酸化炭素が放出されないことにあります。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A29:
アンモニアは常温でも8.5気圧程度の高圧下で液化しますが、アンモニアを固体にするためには−78℃付近まで低温にする必要があり、固体燃料として使うには使い勝手が悪いといえます。アンモニアとボランを結合されたアンモニアボランは固体であり、水素供与体として利用できる可能性があります。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A30:
これらの置換基は電子密度を高めることが知られれており、これらの置換基の導入により、中心のモリブデン金属の電子密度が増えます。モリブデンの電子密度が増えますと、モリブデンに配位する窒素分子の内、金属側の窒素原子とモリブデンの結合が強まり、窒素分子内の結合が弱くなります。その結果、より窒素分子の結合が切断され易くなり、このことが合成効率の向上に寄与したものと考えておりますが、ほかの要因も寄与して可能性もあります。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A31:
1分子の窒素からアンモニアが2分子できるためには、最低でも6個のプロトンと6個の電子が反応する必要があり、触媒サイクルは12つの反応中間体を経由して進行する極めて複雑な反応機構と取っています。現状では、これらすべてを説明することは困難です。ただ、1分子のアンモニアが生成した後にできます、3-の電荷をもつ窒素原子が金属に結合した、ニトリド錯体と呼ばれる中間体が重要な鍵となっているものと考えております。なおアンモニア燃料電池の方は、アンモニアの分解で得られる水素を利用する燃料電池であれば、既に開発されておりますし、アンモニアの分解自体を組み込んだ燃料電池も、実験室レベルであれば色々なところで開発されておりますが、工業化にあたり幾つか克服しなければならない問題点があります。何らかのブレークスルーがあれば、ほんの数年後に実用化される可能性もあるかと思われます。
(回答者:東京大学・西林仁昭先生)
A32:
安全性やコストなど種々の課題がありますが、全固体電池のような新型の電池が実現すれば、実用化の可能性が高まると考えます。
(回答者:トヨタ自動車株式会社・射場英紀先生)
A33:
例えば、電気化学会や電池討論会では、電池用の材料の研究で、これらのインフラを活用した事例が、弊社を含め数多く発表されています。RISING事業で各々に蓄電池専用ビームラインが完成したので、さらに高度な利用が進むと思います。
(回答者:トヨタ自動車株式会社・射場英紀先生)
A34:
一回の水素充填による航続距離が長い、水素充填時間が短い、水素製造法とキャリアの選択により、何通りかの一次エネルギーに対応できるなどが利点と考えます。ご指摘の水素、インフラのコストやCO2の排出量の課題は、当日のシンポジウムでも議論になったような新しい水素キャリアへの期待の大きい部分です。
(回答者:トヨタ自動車株式会社・射場英紀先生)
A35:
高分子は分子が連なり「糸(1次元)」や「網(2次元)」,さらには3次元的に糸や網が橋掛けされた構造をナノのサイズで織りなしています。例えば毛糸玉の中に米粒を埋め込むようなイメージで高分子の中に有機分子が入り込んで行きます。「孔」と言うよりは「柔軟な隙間」というイメージです。
今回の研究で利用したPS-PEGという高分子は「PS=水には馴染まない油っぽい(疎水性)高分子」と「PEG=水に馴染む(親水性)高分子」との組み合わせ高分子です。有機分子はPS部分に取り込まれ,さらに反応に必要な酸,塩基,イオンなどは水溶液として主にPEG領域に入り込んで行けます。PSとPEGが分子レベルで繋がっている,すなわちナノメートルのレベルで隣り合っていますから,有機分子がこれらのイオンなどと接近し反応する事も可能となります。このような反応の「場」を創りだしてやり,そこに触媒を予め埋め込んでおく事が,講演で紹介した反応システムの鍵となっています。
(回答者:分子科学研究所・魚住泰広先生)
A36:
触媒の表面汚染の再活性化については個々の例を具体的に見ないと判断できませんので,一般論としてのお答えはなかなか難しいです。ただ固体触媒を高分子に埋め込んでおいて,その高分子に触媒反応の目的物質だけを取り組む様な工夫をするならば,他の汚染物質による固体触媒表面へのダメージを制御する事は可能かも知れません。
(回答者:分子科学研究所・魚住泰広先生)
A37:
炭素ーフッ素結合はとても強固な結合ですから簡単には反応させる事はできません。今回の講演で紹介した触媒設計は,触媒そのものに加え,触媒反応が起こる「反応場」やその反応場に反応させたい有機分子が入り込んでくる仕組みなど,システム全体の設計に依って司られています。強固な炭素ーフッ素結合を反応させるには,システム全体よりもまずは高分子に埋め込む触媒自体の性能を上げる事が必要になります。
すでに炭素ーフッ素結合を反応させる触媒が幾つか見いだされていますので,それらを今回紹介した高分子に埋め込むならば,高分子に固定化された触媒による炭素ーフッ素結合の反応も可能になってくると考えられます。まだ実際には試みてはおりませんので今後の課題です。
(回答者:分子科学研究所・魚住泰広先生)
A38:
ありがとうございます。
(回答者:科学技術振興機構、米国パデュー大学・根岸英一先生)
A39:
J. Synth, Org. Chem. Jpn. (in Japanese), 54, 1 (1996). 巻頭言「発見の原理」
(回答者:科学技術振興機構、米国パデュー大学・根岸英一先生)
A40:
共有結合の交換相互作用 - これは正しいと思いますが、私には100%明瞭なものではありません。また、私は「不確実性原理」というtermを知りません。

(H2OからH2、O2を生成するのは、電気分解でも可能だと思うので、それ程重要ではないと思いますが、どうでしょうか?) - 電力のコストと関連しています。当然のことですが…
(回答者:科学技術振興機構、米国パデュー大学・根岸英一先生)
A41:
Turn Over Number (max.)で102、103、104、105、106、107…とCatalyst Solutionを10倍ずつdiluteしていき、一定時間(通常1〜3日)以内に目的生成物が何パーセントの収率で得られるかを、主にクロマトグラフィー(ガス、液体が主)で測定して決定します。非常に簡単で、正しくやれば信頼度が高いものと考えています。
(回答者:科学技術振興機構、米国パデュー大学・根岸英一先生)
A42:
一理あるものの、賛成ではありません。外国語は小学校(6年)、中学校(3年)、高校(3年)の期間で学習できる。ただし、大学受験と競合するのであれば、高校時代にはそれが優先すべき事項。
(回答者:科学技術振興機構、米国パデュー大学・根岸英一先生)
A43:
この度は、自然科学研究機構シンポジウムにお越しいただき誠にありがとうございました。
次回は平成25年10月14日(月・祝)に、Astrobiologyをテーマに開催する予定です。次回も是非ご参加いただければ幸いです。
(回答者:自然科学研究機構シンポジウム事務担当)
A44:
友達と泥まみれで遊んでいました。三丁目の夕日の世界だったです。算数、理科、音楽がすきでした。
(回答者:分子科学研究所・平本昌宏先生)

クルマ好きの子どもでした。今もそうですが・・・理科に対する興味は、塾で購入した理科の精解と資料という分厚い参考書に読み物的な小さな記事がいろいろ載っていたのを読んだのがきっかけのように思います。
(回答者:トヨタ自動車株式会社・射場英紀先生)

1.いろいろな遊び 2.冬(満州滞在時代)のスケート 3.大声で歌うこと
(回答者:科学技術振興機構、米国パデュー大学・根岸英一先生)