開催日時：2024年4月13日（土） 15:30～17:00

開催場所；“ウインクあいち”1309号室

出席者；　30名（オンラインでの出席者11名を含む）

講師；      関根 泰 教授

演題；      「カーボンニュートラルに向けたトランジション・GXとエネルギー・化学分野の今後」

要旨；
●初めに、司会の渡部幹事より関根先生のご略歴が紹介されました。続けて、関根先生より最近の研究例を含めて、関根研究室の概況についてご説明がありました。具体的には、研究の「場・環境」を作って応援し、化学反応の司令塔である「触媒」を利用して、『啼かぬなら啼かせてみよう』の世界を実現されています。より具体的には、「非在来型触媒の理論と実験で環境・エネルギーの未来を拓く」をテーマに、これまでにない触媒プロセスで地球の環境とエネルギーを切り拓く研究を進めておられます。

●カーボンニュートラル(CN)をどう考えるか：
現状を整理すると、地球を宇宙から見たら物質としては「閉鎖系」です。地球には限度・限界があります。これをPlanetary Boundary[自然環境の許容範囲(限界値)内に納まるか、逸脱するか]と呼びます。何が限界か？　というと、生物多様性・窒素循環・気候変動はすでに限度を超えていると言われています。その他には、海洋酸性化、オゾン層破壊、リン循環、淡水利用、土地利用、エアロゾル(未評価)、化学汚染(未評価)があります。ただし、「限界」の定量的評価の根拠は、あまり明確ではありません。
この概念はVersion upされてきており、2023年の最新情報がScience 誌に掲載されています。
2021/8/9 IPCC 第6次報告のメッセージによると、CO2排出量の１トンずつが、一歩ずつ地球温暖化につながります。大気中のCO2, CH4, N2O濃度は、1980年代までと最近の動きで異なります。
気温はどうでしょうか？　NASAのデータによると、1980年から高温な頻度が明らかに増えています。このまま温暖化が進むと、地球はどうなるでしょうか？　2050年には平均温度が、1.5-2.0℃は上昇すると考えられます。
ここで、地球上の緯度が異なると太陽の入射角度が全く異なります。斜めに入れば光は弱くなり、起こることは全く違います。紫外線が弱いと、どうなるでしょうか？　殺菌ができにくくなるので、温度が高ければ良いというわけではありません。すなわち、日照が弱いと病害虫の世界となり、何も育たない　となると、食物の争いが起こる、食が脅かされることが予想されます。
ドイツはコロナを機に「Greenディール」を開始しましたが、ウクライナの影響によりガス価格が高騰し今は大変な状況です。このような事象は、世界中で起こっていくでしょう。
「International Collaboration Network 2020」という研究報告がありますが、世界各国の協業・連携において『日本の存在感が薄い』という結果です。では、どうしましょう・・外を見る、出ていく、技術を売っていく等が考えられていますが、実際は日本にコネクションが乏しく、実は孤立しています。
一方、争っているように思われる米国と中国は台湾利権に関する協議を続けています。何故でしょうか？答えは国内外で大競争時代となっている半導体技術であり、機械よりMan Power、技術の塊、すなわち化学の力が裏に付いています。

●グリーントランスフォーメーション(GX)とエネルギー：
統計ベースで物事を考えると答えが見えてくることがあります。毎年11月に発行される「エネルギー統計」を私自身で図表化・解析しています。日本は毎年、膨大な量の化石資源を輸入し、エネルギーと物質として利用しています。物質自体は熱になっていないので、エネルギーは残っています。燃焼することによりエネルギーが得られますが、一番問題なのは家庭です。40℃という「熱」が欲しいのに、給湯器と室外機でエネルギーを捨てているという効率の悪さを認識すべきです。国の動きとしては、経産省の産業構造審議会グリーンイノベーションプロジェクト部会でも検討されています。
EUの動きは「グリーンか、そうでないかという『タクソノミー(二元論)』」の論理ですが、日本は「緩やかに遷移するという『トランジション』の必要性』を謳っています。石炭をまずガスにすることで二酸化炭素排出を大幅に減らし、そして段階的にカーボンニュートラルガスにすることで二酸化炭素排出がゼロになります。他にはコークスをブラックペレット(バイオの炭)にすることなどもトランジションになります。
一旦まとめますと、冒頭にも申し上げた「物質閉鎖系」の地球においては、カーボンニュートラル実現のため、地球温暖化による気候変動や異常気象の加速を抑えることを目的とする取り組みとして、GXとエネルギーの関係を理解して行動する必要があります。

●GXを実現する未来のエネルギーと触媒反応：
これまでは、化石資源が1次エネルギーとして使われてきましたが、地球の遺産である資源に手を付けてはSustainabilityではありません。これからは、再エネ(≒再エネ電力)が1次エネルギーとなるべきで、電化・電池が適用できれば最適です。
コストの課題という観点では、短時間や半日ならば、電池や水素、燃料電池、水素エンジンで平滑化するのが良いでしょう。次にコストが安いのはアンモニアで、燃えるのが遅いので石炭代替になり得ます。長時間の備蓄は有機ハイドライド一択で、重い物体を動かすには、NEO石油化学などの「合成炭化水素燃料」と考えられます。
GXを実現するためには、地球の遺産である化石資源から得られる燃料群のエネルギーを何で置き換えるべきでしょうか？　CO2を再資源化するための回収方法には、物理的手法、化学的手法、固体表面利用等がありますが、発想の転換が必要です。例えば空気で燃やすのは止めて、純酸素利用です。

・酸素燃焼は高濃度CO2を容易に得る、一つの切り札

・酸素分離は深冷分離[大型]やPSA[中型]で可能。酸素透過膜は実用例なし

・コンビナートにおいては、酸素は余っており、10円/Kg程度で入手可能

・分離された窒素は搬送や封入で用途が多い

・セクター間でカップリングが肝要となるか？　・・アンモニア合成→肥料でも使える

ここで、金属の酸化還元を利用した新しい概念である「化学ループ燃焼」が期待されています。

・2つの燃焼器の中を金属粒子が行ったり来たりさせることで、酸素を輸送し燃料を燃やす

・純酸素を作るコストが不要

・排気ガスはCO2と水のみ

・酸素輸送キャリアとしてOSC[Oxygen Storage Capacity]材が用いられる(格子酸素の酸化還元)

・\1,500/t-CO2 という試算も出ているが実用はまだ

また、閉じた物質系である地球において、未来の化学とエネルギーは、

・太陽エネルギー由来の電力・熱・光を駆動源とし、

・バイオマスや水、CO2、バイオメタン、廃棄物を原料とし、

・欲しいときに欲しいだけ駆動できるオンデマンド・分散型の

・電化できない７つの産業に向けたプロセス

が期待されます。
熱力学の第1法則で「エネルギーは保存」され、第2法則で「乱雑さは増大」します。これらを併せて考えると、閉鎖系の地球において今ある物質やエネルギーは有限で、化石資源は使うと最後は熱になり廃棄されます。月給と遺産で考えると太陽は月給、化石資源・ウランは遺産です。ヒトが生きている限り乱雑さは増大し、全ては熱になるので、外力で修復するには月給を使う以外にありません。
電化だけでは乗り切れない６つの産業には「CO2の回収利用＋バイオマス利用」からの物質・燃料合成が解決策となります。ここに、非在来型触媒の活用が必要となるわけです。

●質疑応答：

Q:日本は人口が減少しています。エネルギーとの関りはどのように考えるべきでしょうか？

A:CO2排出量は2013年から比べると年間で3億トンは減っており、エネルギー消費は減っています。世の中の活動・人間の行動を30年前と比較すると、全て「スマホ」に集約されており、スマート化されたことでエネルギー効率は向上しています。

Q:大都市圏に比べると、地方は革新されにくいのでは？　どうやって解決していくべきですか？

A:地域循環共生圏における地域での農業や林業、廃棄物などとエネルギー物質生産の連携、が地方では重要です。一方で大都市では国外の大規模再生可能エネルギーの輸入が必要でしょう。

Q:日本だけゴミ分別しているのは何故でしょうか？

A:環境問題への捉え方が異なると思います。日本は分別に対する意識が高いですが、自治体によって考え方が異なります。処理費をどこが負担するか、行政が処理プロセスを持つか持たないか、また焼却炉のSpecが異なるので、具体的な方法は様々です。一方で、海外は考えていないこと自体が問題です。環境に対する危機感を持っていないというか、まだまだ意識が低いのが実状でしょう。

Q:液体炭化水素燃料(E-Fuel)について、蓄電池と戦えるのでしょうか？

A:車載体積６LのLiB[重さ16Kg]に貯められるエネルギーと、体積300㏄のE-Fuelが持つエネルギーが等しくなるので可能性は大ですが、何で貯めるのが良いかということでは、現状のコストと安全性のバランスでしょう。1日の使用を考えるなら電池ですが、空を飛ぶとなると課題があります。

まだまだ質問が続きましたが、懇親会の場でお願いすることとなりました。
なお、今回の交流講演会には、関西支部から前回に引き続き和田支部長と三品幹事、また新たに澤村幹事が出席されました。
また、中部支部としては初めて「会場とNet配信のハイブリッド形式」で開催しました。

参考資料(ご略歴等): The SEKINE Group@Waseda Univ.
(文責 浜名)

●記念写真等

ご講演中の関根教授

ご講演後に、出席者と記念撮影

懇親会で、新婚の山本理事と

以上

開催日時；2023年11月18日（土） 15:00～17:00
開催場所；“ウインクあいち”1207号室
出席者；　21名（オンライン・トライアルでの出席者3名を含む）
講師；小柳津研一教授
ご略歴；

1990.3早稲田大学　理工学部　応用化学科　卒業

1995.3早稲田大学大学院　理工学研究科　応用化学専攻　博士後期課程　終了

1995.4-1997.3早稲田大学　理工学部　助手

1997.4-2003.9早稲田大学　理工学総合研究センター　講師

2003.10-2007.3東京理科大学　総合研究機構　助教授

2007.4-2012.3早稲田大学　理工学術院　准教授

2012.4-現在早稲田大学　理工学術院　教授

主な研究テーマ：
機能性高分子、特に高密度レドックス高分子を用いた有機電池、水素キャリア高分子、高屈折率高分子、低誘電損失高分子など

受賞

1995.3水野学術賞（早稲田大学）

2002.3日本化学会進歩賞

2013.4科学技術分野の文部科学大臣表彰　科学技術賞

2022.5高分子学会賞

演題；「エネルギー貯蔵機能性高分子、および早稲田のエネルギー・ナノマテリアル研究」
要旨；

トピックスとしては、西早稲田キャンパスに加えて早稲田キャンパスの研究開発センターエリアに2020年に竣工した新研究開発棟「リサーチイノベーションセンター(121号館)」があり、小柳津先生の研究室も機能高分子実験を行なっておられるとのこと。
早稲田大学としては、カーボンニュートラル「Waseda Carbon Net Zero Challenge」¹⁾を2021年11月1日に宣言し、文理融合の研究推進体制によりカーボンニュートラルの実現を目指して2022年12月1日には「カーボンニュートラル社会教育研究センター」²⁾が設立されました。
¹⁾ https://www.waseda.jp/netzero/
²⁾ https://www.waseda.jp/inst/wcans/research/realize

●Storing Energy in Organic Material:

１．有機電極活物質の設計・合成と有機電池の研究動向

エネルギー貯蔵機能を有する有機・高分子材料の科学とそのデバイス技術についての研究の基本として、高分子はレドックス部位の結晶化を防ぎ、多くの量を溶かすことができるので、材料として有用です。電荷蓄積のためのレドックス高分子として、密度が高く反応性を高く保つことができるのも大切な点です。電極の反応過程は、単分子吸着のような挙動から厚みのある高分子層の拡散過程まで多様です。

エネルギー貯蔵のための高分子研究のレビューとしては、1997年2月に発刊されたPetr Novákらの “Electrochemically Active Polymers for Rechargeable Batteries” [Chem. Rev. 1997, 97, 1, 207–282] が例に挙げられます。また、西出先生や小柳津先生も中心となったドーハでのセッション “Polymers in Energy” をきっかけとして、早稲田大学での国際会議 ”Organic Battery Days 2021”³⁾ 等でコミュニティが広がってきており、論文も急増しています。
³⁾ https://w3.waseda.jp/assoc-obd2021/ ・・実際は、オンライン形式

近年注目されている有機空気二次電池は、ラジカルではなくキノン体が電荷を担います。有機物は分子設計が容易であり、性能も多様性があり予測もできます。また、伸縮性・柔軟性・屈曲性にも優れています。エネルギー貯蔵機能には双安定性(Bistability)が必要で、蓄電特性を示す高分子の性能指針の一つになっています。

一方、リチウムイオン電池の充電速度を短縮するために、高分子物質による「電池触媒」が有効であることが分かってきました。少量のレドックス高分子を含む酸化物ハイブリッド電極の構成で、電子移動メディエーション効果による高速充放電が可能となります。

２．水素キャリア高分子の展開

既に見出していた水素を可逆的に貯蔵する水素キャリア高分子をアノードに適用し、プロトン導電膜との組み合わせにより、充電可能な燃料電池を山梨大学との共同研究で開発しました。通常の燃料電池では電解膜でのO2/H2分離が必要ですが、高分子によるGreen水素製造では蒸気圧の無い物体から水素をガス状態で取り出せるので膜が不要です。種々の利点があり、将来は家庭への展開も目指しています。

３．実践的MIによるLiイオン電池の新しい固体電解質

イオン伝導度が高く、安定性、強度、合成難易度、コストの点で優位な物質を作成するために、オリジナルのデータベース(DB)を作成しました。材料実験のデータは104のオーダーで保有しており、また数百件の文献も含めて、繰り返し単位の化学構造/分子量/共重合比/共重合の構造など、選定したパラメータを記録しました。AIシステムを使用して実験結果や文献データを自動解析することで、新材料の製造を想定しうる重要な構造や実験因子を抽出できました。

このMIにより導出したLiイオン高伝導性高分子は、芳香族系高分子の電荷移動錯体からなるこれまでに無い材料となりました。

４．早稲田のエネルギーナノマテリアル研究⁴⁾

早稲田大学のスーパーグローバル大学(SGU)創成支援「Waseda Ocean 構想」における7つのモデル拠点の1つである「エネルギー・ナノマテリアル拠点」では、応用化学の多くの先生方が参加されカーボンニュートラル社会の実現を目指した様々なエネルギー・マテリアル関連の研究が行われています。当研究室での有機電池や水素を安定かつ可逆的に貯蔵できる高分子もその例です。また、国際化を推進するために、Joint Appointment Professor 制度を採り入れ、海外教員が長期間早稲田に滞在して教育・研究を行っています。最近はその流れで「高屈折率高分子に関する共同研究」をドイツのミュンヘン工科大学と進めています。機能性高分子の可能性を見出すことにより、革新的科学技術を応用し、地球規模の課題解決に向けて、これからも挑戦していきたいと思います。
⁴⁾ https://www.waseda.jp/inst/sgu/unit/

●質疑応答(Q&A)

Q:水素貯蔵について、吸脱着の繰り返しは?

A:実験上は50回。材料として具体的にはこれから詰めていく必要があります。家庭用へ展開する目安としては1000回は必要でしょう。値段や経済性も検討しなければなりません。

Q:触媒開発について、水素は固体高分子とどのように反応しますか?

A:高分子はGel(ゲル)状で、触媒は溶媒に可溶性です。

Q:電池のなかで高分子はどのように分散していますか?

A:元素マッピングで解析すると、顕微鏡レベルでは充分に分散しています。実験室では乳鉢で粉砕し、溶媒を投入します。分散している固体に溶存する高分子という状態でしょう。形態を問わず、繰り返し特性もOKです。

Q:Gel状の固体に水素を吹き付けて、どのように内部に溶解させますか?

A:実際は架橋体なので細孔があります。表面拡散律速状態だと思います。

Q:セラミックス系では固いですが、高分子系は耐久性が高いのが利点ですね。有機・無機材料へのアプローチも検討されていますか?

A:ソフトマテリアルとしての特徴を活かして，様々な材料・デバイスとの界面形成が容易である点は高分子の良さです。構造の詳細はこれからです。

まだまだ質問が続きましたが、懇親会の場でお願いすることとなりました。
なお、今回の交流講演会には、関西支部より和田支部長および三品幹事が出席されました。
また、中部支部としては初めて「ZoomによるNet配信」を試験的に行ないました。次回、2024年4月の交流講演会から、会場とNet配信のハイブリッド形式での開催となります。　(文責 浜名)

ご講演中の小柳津教授

ご講演後に、出席者と記念撮影

懇親会で談笑。　和田_関西支部長と友野_中部支部長

以上

【第19回中部支部交流講演会（山口先生講演会）開催報告】

１． 開催日時；　4月8日（土）１５：３０～１７：００
２． 開催場所；　ウインクあいち1008号室
３． 出席者；　　16名
４． 講師；　　　山口潤一郎教授
５． 議題；　　　『応用化学科の現状と分子レベルのものづくり研究』
６． 講演要旨の報告；

山口潤一郎教授のご講演
「応用化学科の現状と分子レベルのものづくり研究」の要旨

●応用化学科の現状
　初めにご自身/研究室/応用化学科の状況について触れられていました。日本最大の化学ウェブサイトChem-Stationについてご説明があり、2000年設立以来、23年間運営されているライフワークで、日本化学会化学教育賞等を受賞されていることが紹介された。
　2016年のご着任時には助教1名、学部生3名からスタートした研究室は現在、准教授1名、講師2名、博士課程8名、修士課程14名、学部生8名の34名で運営されている。博士課程への進学率も高い。
　応用化学科はモットー「役立つ化学」「役立てる化学」のもと、7つの研究部門「無機化学、触媒化学、応用物理化学、化学工学、応用生物化学、高分子化学、有機合成化学」があり、それぞれに社会課題の解決に向けて、研究活動されていることが紹介された。新任のご先生等の2016年以降の教室の変化、121号館(早実跡地)での研究活動開始、52,53,54,59号館での増築計画、学科独自の奨学金等が充実してきている事もご紹介されて、応用化学科が進化し続けていることが実感された。

●分子レベルのものづくり研究
　初めに、ものづくりとしての有機合成化学のイロハを「分子をつなぐ」「分子をぶっ壊す」「革新的な分子を創る」というキーワードで分かり易く教えて頂きました。具体的事例として芳香環同士が直接連結した分子を取り上げて、医薬品成分としても多数存在していることが紹介された。如何に作るか、芳香環同士をどうつなぐかは昔から研究されているが、難しい課題であると述べられた。芳香環同士を連結する方法の一つはクロスカップリング反応で、その中の一つで2010年に鈴木章教授がノーベル化学賞を受賞している。この反応は芳香族ハロゲン化物と芳香族ボロン化合物を原料としてパラジウム(Pd)触媒/アルカリ存在下で行う。この反応は安定で収率も高く取り扱いやすいが、原材料には難点がある。原料は共に高価、製造は多ステップで廃棄物多、パラジウムは高騰中である。

　次世代型のクロスカップリング反応を開発することで、医農薬等の有用化合物を製造できるようにすることは、有機合成化学者の仕事の一つである。具体的な研究としては、製造難の芳香族ボロン化合物代替として粗原料の芳香環のC-H結合を直接活性化･切断すること、触媒として安価なニッケル(Ni)化合物を使用することを検討している。適用例として、痛風治療薬フェブキソスタットや複雑な天然有機化合物が紹介された。
　また、エステル化合物適用の研究内容も紹介された。山本明夫教授が錯体レベルで反応機構を解明していた脱エステル型変換反応については、多種の求核剤を発見し、各種の新規合成法を開発していった。不活性なエステル化合物を反応させるためには、金属触媒(Pd,Ni)の機能UPが必要で、独自開発の新規な配位子を開発したことが重要であった。この配位子はDCYPTといい、現在では関東化学より全世界で発売されている。
　開発された反応、各種の研究内容が紹介された。エステルからの脱カルボニル型エーテル合成、エステルダンス、光触媒による安定結合の切断、結合交換反応、ヘキサアリールベンゼン(置換基の芳香環が全て異なる)、植物の生物時計制御分子(AMI-331という名で東京化成より発売中)、パーキンソン病早期診断ツール、たんぱく質を固定する分子、･･････

　最後に一期生からの博士課程卒業生の業績、受賞歴、海外留学等について紹介があり、学生と共に研究室が育まれ、大きく成長してきていることが伺われた。「根本的に研究が好きであるが、教育が中心にして、化学の面白さと可能性について学生に伝えていきたい、いい学生を輩出したい」とのお言葉で締めくくられていた。
　学生時代の有機化学講義以来、有機化学構造式、反応式にあまり縁のなかった多くの中部支部諸氏に対して、研究成果を平易に説明頂きました。ご講演後、質疑も行われ、博士課程比率の高さ、構造同定について、学生の教育、ケムステーション、山口研のディスカッション文化、海外アクセスの多さ等について活発に議論された。

＊尚、講演終了後、集合写真の撮影と懇親会が行われた。

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