ポリエステルの分解・ケミカルリサイクルを実現する高性能触媒を開発 ~植物油から化学品を合成する技術を適用、プラごみ問題の解決に道~

ad
ad

2022-09-16 科学技術振興機構,東京都立大学

ポイント
  • プラスチックごみ問題(プラごみ問題)の解決に向けて、ポリマーを効率良く原料へ変換する革新的な手法開発が切望されている。
  • ポリエステルとアルコールを混合・加熱するだけで、完全に原料へ分解する2種類の高性能触媒(酸化カルシウム触媒とチタン触媒)を開発した。この触媒により、植物油から付加価値の高い化学品の合成も可能となった。
  • 入手が容易で安価なポリエステル分解触媒により、ケミカルリサイクルの飛躍的な発展および高性能触媒によるプラごみから付加価値の高い化学品への変換など、関連研究の活性化が期待できる。

JST 戦略的創造研究推進事業(以下、CREST)および国際科学技術共同研究推進事業(戦略的国際共同研究プログラム)(以下、SICORP)において、東京都立大学 大学院理学研究科の野村 琴広 教授らの研究グループは、ポリエステルや植物油から有用化学品を効率良く合成する2種類の高性能触媒を開発しました。特に、ポリエステルとアルコールを混合・加熱するだけで、原料への変換を実現したことは大きな成果と言えます。

プラごみ問題は、早期に解決すべき重要課題ですが、現状はほとんどが燃料として再利用され、原料として再利用(ケミカルリサイクル)される割合はわずかです。カルボン酸とアルコールとの反応による「エステル結合」の繰り返しからなるポリエステルは、ペットボトルや衣料などに利用されています。このエステル結合を完全に切断すれば原料に変換できますが、従来法では高温で過剰な酸・塩基などが必要とされるため、シンプルで安価、環境負荷の低い手法が切望されていました。

本研究グループは、非可食の植物油から、洗剤・化粧品やポリマーの原料など付加価値の高い化学品(ファインケミカルズ)の合成を可能とする触媒開発に取り組み、2種類の高性能触媒(酸化カルシウム触媒とチタン触媒)を見いだしました(SICORPの研究チームによる成果)。さらにこの触媒が同じ化学反応(エステル交換反応)であるポリエステルの分解にも有効で、ほぼ100パーセントの選択率で原料に変換できることを明らかにしました(CRESTの研究チームによる成果)。

酸化カルシウムは入手が容易で安価であり、工業的な使用実績も豊富です。今回の着想のように、植物油のエステル交換の触媒をそのままポリエステル分解触媒に適用した研究例はなく、安価で環境負荷の低いプロセス開発への展開が期待されます。また、触媒性能に優れるチタン触媒は幅広い応用展開が可能で、植物油からポリマー原料や各種精密化学品の合成、プラごみから付加価値の高い化学品への変換(アップサイクル)も期待されます。

本研究のうち、酸化カルシウム触媒の研究は、タイ・チュラロンコン大学 石油・石油化学院のBoonyarach・Kitiyanan(ブーンヤラ・キティヤナン)教授と共同で行いました(SICORPで、タイ国家科学技術開発庁(NSTDA)とともに支援している国際共同研究課題のタイ側共同研究者)。

本研究成果は、2022年9月16日(日本時間)に米国化学会「ACS Sustainable Chemistry & Engineering」のオンライン版で公開されます。また、ポリマーの分解などの成果は、9月21日に富山大学で開催される第130回触媒討論会で発表予定です。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域
「分解・劣化・安定化の精密材料科学」(研究総括:高原 淳 九州大学 ネガティブエミッションテクノロジー研究センター 特任教授)

研究課題名
「機能集積型バイオベースポリマーの創製・分解・ケミカルリサイクル」

研究代表者
野村 琴広(東京都立大学 大学院理学研究科 教授)

研究期間
令和3年10月~令和9年3月

CREST「分解・劣化・安定化の精密材料科学」領域では、外部刺激により材料を自在に分解する手法を開発するとともに、分解を自在に制御できる材料の開発、それら材料の階層構造制御による高機能化に関する研究、材料における環境に優しい劣化や安定化の制御法の開発を通じて、材料の分解・劣化・安定化の精密制御を達成し、究極の相反する物性である分解性と安定性の自在制御が可能なサステイナブル材料開発のための精密材料科学の確立を目指しています。上記研究課題では、豊富な非可食植物資源からのバイオベースポリエステル・アミドの精密合成と高機能材料の開発、ポリマー分解によるモノマーや機能化学品の合成を可能とする高性能触媒の開発に取り組んでいます。

国際科学技術共同研究推進事業(戦略的国際共同研究プログラム)(SICORP)

サブプログラム名
e-ASIA 共同研究プログラム(材料(ナノテクノロジー))(研究主幹:玉田 薫 九州大学 副学長、先導物質化学研究所 主幹教授)

研究課題名
「触媒的効率炭素-炭素結合形成を基盤とする植物油由来の高分子機能材料の開発」

研究代表者
野村 琴広(東京都立大学 大学院理学研究科 教授)

研究期間
令和2年4月~令和5年3月

e-ASIA 共同研究プログラムは、環太平洋諸国およびASEAN諸国等において、科学技術分野の研究開発力の強化を目指し、研究交流を加速するとともに、アジア諸国が共通して抱える課題の解決に資するべく、多国間の国際共同研究を推進するプログラムです。上記研究課題では、タイやフィリピンのチームと共同で、ASEAN諸国に豊富に存在する非可食の植物資源(植物油)から、高性能触媒によるモノマー合成法の開発や精密重合によるリサイクル可能なバイオベースポリマーの創製に取り組んでいます。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“CaO Catalyzed Transesterification of Ethyl-10-undecenoate as a Model Reaction for Efficient Conversion of Plant Oils, and their Application to Depolymerization of Aliphatic Polyesters”
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c04287
“Transesterification of Methyl-10-Undecenoate and Poly(ethylene adipate) Catalyzed by (Cyclopentadienyl)Titanium Trichlorides as Model Chemical Conversions of Plant Oils and Acid-, Base-Free Chemical Recycling of Aliphatic Polyesters”
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c04877
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
野村 琴広(ノムラ コトヒロ)
東京都立大学 大学院理学研究科 化学専攻 教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

佐藤 正樹(サトウ マサキ)
科学技術振興機構 国際部 事業実施グループ

<報道担当>
科学技術振興機構 広報課
東京都立大学 管理部 企画広報課 広報係

コメント

タイトルとURLをコピーしました