自在に設計可能なシングルサイト金属含有3次元的結晶性炭素の創生と機能開拓

可自由设计的单点含金属三维结晶碳的创建和功能开发

基本信息

批准号：
22KJ0294
负责人：
千田晃生
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

近年、金属有機構造体(MOF)のような有機系結晶が、多孔性炭素材料の前駆体分子として利用さているが、有機系結晶由来の3次元的規則構造性は炭素化過程中に崩壊し、従来の多孔性炭素と同様にアモルファスな構造となることが知られている。この点において、熱重合部位を有する金属ポルフィリンを前駆体分子として採用すると、熱処理後も有機系結晶由来の規則構造性を維持した特異な炭素材料である規則性炭素化物構造体(OCF)が得られる。しかしながら、OCF中に固定化されている金属種はNiやFeのみに限られており、報告されている前駆体分子種も少ないことが課題である。当該研究では、前駆体分子の設計に着目し、OCFの細孔構造や活性点近傍の電子状態などが、所望の反応系に適したテーラーメードな設計を行い、OCFを幅広い触媒応用展開が可能な新たなプラットフォームとすることを目的としている。本年度は、OCFを形成する前駆体分子種を新たに2件報告し、前駆体分子中に導入される熱重合部位の数が、得られるOCFの多孔性に影響を与える要因の1つであることを見出した。さらに、本年度は同一のポルフィリン前駆体分子を用いて、得られるOCF中に単一のCoおよびCu種が高分散で担持された材料を調製し、金属種の拡張に成功した。また、同一のポルフィリン前駆体分子種を用いると、Ni, CoおよびCuポルフィリンは同一の結晶構造を有していることが明らかとなった。そこで、同一の結晶構造を有するCoおよびCuポルフィリンの混合・熱処理を試みた。その結果、単核CoおよびCuがほとんど偏析なく高分散に固定化されたOCFが調製され、金属種の拡張のみならず、新たに複数種の金属種を有するOCFの調製に成功した。

近年来，金属有机骨架（MOF）等有机晶体已被用作多孔碳材料的前体分子，但有机晶体衍生的三维有序结构在碳化过程中崩溃，具有非晶态。结构与传统多孔碳相似。在这方面，如果使用具有热聚合位点的金属卟啉作为前体分子，则可以得到有序碳酸盐结构(OCF)，这是一种即使在热处理后也保持源自有机晶体的有序结构的独特碳材料。将会完成。然而，问题是OCF中固定的金属种类仅限于Ni和Fe，并且报道的前体分子种类也很少。在这项研究中，我们专注于前驱体分子的设计，并设计了OCF的孔结构和活性位点附近的电子态，以适应所需的反应体系，从而使OCF发展成为广泛的催化材料成为可能。它旨在成为一个新平台。今年，我们报道了两种形成 OCF 的新分子种类，并发现引入前体分子中的热聚合位点数量是影响所得 OCF 孔隙率的因素之一。此外，今年，我们通过使用相同的卟啉前体分子制备了一种材料，其中单一 Co 和 Cu 物种高度分散在所得 OCF 中，成功地扩展了金属物种。此外，还表明，当使用相同的卟啉前体分子种类时，Ni、Co和Cu卟啉具有相同的晶体结构。因此，我们尝试混合并热处理具有相同晶体结构的Co和Cu卟啉。结果，制备了单核Co和Cu高度分散并固定且几乎没有偏析的OCF，并且我们不仅成功地扩大了金属种类，而且成功地制备了具有多种金属种类的OCF。

项目成果

期刊论文数量（13）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

有機金属錯体の炭素化により合成される規則性ポーラスカーボンの調製

有机金属配合物碳化制备规则多孔碳

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
千田晃生;吉井丈晴;日吉範人;伊藤徹二;神谷和秀;井上真隆;谷文都;西原洋知
通讯作者：
西原洋知

Synthesis of Hexa-Aminated Trinaphtho[3.3.3]propellane and Its Porous Polymer Solids with Alkane Adsorption Properties

六胺化三萘并[3.3.3]丙烷的合成及其具有烷烃吸附性能的多孔聚合物固体

DOI：
10.1246/bcsj.20220180
发表时间：
2022
期刊：
Bulletin of the Chemical Society of Japan
影响因子：
4
作者：
Kato Kenichi;Seto Nobuyoshi;Chida Koki;Yoshii Takeharu;Mizuno Motohiro;Nishihara Hirotomo;Ohtani Shunsuke;Ogoshi Tomoki
通讯作者：
Ogoshi Tomoki

Bimetallic ordered carbonaceous frameworks from Co- and Cu-porphyrin bimolecular crystals

DOI：
10.1016/j.carbon.2022.09.017
发表时间：
2022-09
期刊：
Carbon
影响因子：
10.9
作者：
Koki Chida;Takeharu Yoshii;N. Hiyoshi;T. Itoh;J. Maruyama;K. Kamiya;Masataka Inoue;F. Tani
通讯作者：
Koki Chida;Takeharu Yoshii;N. Hiyoshi;T. Itoh;J. Maruyama;K. Kamiya;Masataka Inoue;F. Tani

触媒　65巻1号

催化剂第 65 卷第 1 号

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Koki Chida;Takeharu Yoshii;Mao Ohwada;Yuichiro Hayasaka;Joe Komeda; Ryota Sakamoto;Jun Maruyama;Kazuhide Kamiya;Masataka Inoue;Fumito Tani;Hirotomo Nishihara;吉井丈晴・千田晃生・西原洋知・谷文都
通讯作者：
吉井丈晴・千田晃生・西原洋知・谷文都

東北大学　西原研究室

东北大学西原实验室