山口大学 工学部 応用化学科Faculty of Engineering Department of Applied Chemistry YAMAGUCHI UNIVERSITY

　私たちが生存している地球表面は約７割が海（電解質水溶液）で覆われており、巨大な物質系・反応系と考えることができます。この反応系は、太陽と地殻内部からの熱供給でほぼ一定の温度状態が保持され、太陽光は物質生成のトリガーとして多彩な物質変換の流れを生み出しています。絶え間なく必要な物質が生み出され、一方で不要な物質が除去されていくことが生態系の維持に不可欠ですが、これを理解し、制御するための学問領域の一つとして「溶液化学」があります。自然界には様々な溶存状態の物質があり、その温度・圧力・濃度は時間の経過とともに変動を続け、局所的平衡状態に向かって常に状態変化しています。このダイナミックな物質の動態も溶液化学の力なしには理解することはできません。水溶液中での金属イオンや無機・有機化合物の溶存状態、すなわち、溶質と水（溶媒）がどのように相互作用し、安定化しているのか？が理解の本質を握っており、実際に、自然科学の発展の歴史において溶存状態は古くからの研究の対象でした。
　以上のように、自然（水溶液）中において、物質は様々な形態で溶存していますが、私達の知るそれは、熱力学的に水大過剰条件に偏っています。溶存状態に関する私達の認識は、この偏りをあまり意識しておらず、その結果、溶液内反応に関する考え方は「水」の特異性を常識として形作られ、それが私達の観念の中に深く根をおろしています。溶媒としての「水」を考えるとき、その性質は極めて特異的であり、これは多様な性質をもつ溶媒群の一部を代表するものでしかありません。この常識が盲点となって見逃している現象は少なくなく、これを打破することで新規の溶液反応論を構築し、ひいては実用分野で求められる機能を織り込んだ「液体材料」の創成まで見据えたサイエンスを展開するには、水以外の「非水溶媒」に焦点を当てた研究が必須となります。

　非水溶媒（有機溶媒）に電解質塩を溶かした「有機電解液」は、電気化学デバイス用の電解質として重要な役割を担っています。例えば、携帯電話やノートパソコンに使われているリチウムイオン電池（LIB）の電解質材料には有機電解液が採用されており、水を溶媒とする水系電解液ではこの用途で求められる性能を満足したLIBは成立しません。しかしながら、現行の商用LIBには発火・爆発といった安全面で本質的な課題を抱えており、その原因は有機溶媒の揮発性・引火性に起因しています。したがって、「燃えない電解液」の研究開発が蓄電デバイス分野における世界的なトレンドとなっており、私達のグループではこの課題に対して「溶液化学」、特に、「溶媒和の化学」に着目した研究を推進しています。

　溶液中のイオンは複数個の溶媒分子に取り囲まれた集合体「イオン溶媒和クラスター」として存在し、このクラスターの構造/ダイナミクス/エネルギー特性がイオンの反応性を支配しています。私達のグループでは、イオンと溶媒分子の相互作用「溶媒和現象」をイオン反応の素過程と捉え、これを熱力学・構造化学に立脚して解明していくことを研究戦略上の最重要課題と位置付けています。例えば、「燃えない溶媒」であるフッ素化溶媒中にリチウム塩を溶かすと「燃えない電解液」を調整することができます。しかしながら、このままではリチウムイオン電池の電極反応（充放電反応）は全く起こりません。そこで、溶液中のリチウムイオンの溶媒和状態を様々な実験やコンピューターシミュレーションを用いて詳細に調べ、分子レベルで可視化します（右図）。これにより、リチウムイオンが反応するための必要条件を抽出し、電極反応を引き起こすための設計指針を構築することができるようになります。このような「溶媒和の化学」を駆使して、実用分野で求められる「機能」を適切に付加した「電解液」の開発を進めています。

　４分岐高分子であるTetra-poly(ethylene glycol), TetraPEGを網目として用いたハイドロゲルは、９０％以上が水であるにも関わらず非常に優れた力学特性を示します。我々のグループでは最近、この多分岐高分子を機能性電解液（上記のように機能設計を施した非水系電解液）中で効率よくゲル化する方法論を確立し、燃えない・イオン伝導性が高い・二酸化炭素をよく吸収する等、所望の機能を選択的に付加した高強度ゲル電解質を合成することに成功しました。ゲルネットワークとして用いる高分子は１〜５％と極めて低濃度なので、構成成分の９９〜９５％以上は電解液です。にも関わらず、人工関節に匹敵する高い機械的強度、ゴムのような高靭性を示し（右図）、「高度な機能化を施した電解液」の性能をほぼそのままゲルに反映することができる点が大きな特長です。実際に、電気化学デバイス用のゲル電解質や二酸化炭素分離膜としての応用研究も進めており、従来材料にはない優れた特性を実証しつつあります。

溶液化学は、物理化学・無機化学・分析化学を横断する学問分野であり、基礎・応用で分類すると明らかに「基礎研究」に位置づけられます。しかしながら、研究の出口である「応用」を明確に見据えることで、分子論に基づいた「柔らかい材料（ソフトマター）」の開発→応用研究という新しい潮流を生みだすことができると信じています。電解質溶液、高分子溶液、高分子電解質を広い意味での”ソフトマター”として捉え、イオンから高分子まで、様々な溶質の「溶媒和」を自在に操作することで、必要な機能のみを選択的に付加したスマートな材料を開発していきたいと考えています。

　 山口県をかつて治めていた戦国武将である毛利元就の逸話に「三本の矢」があります。これは、「一人一人の力は小さくとも三人が結束すれば折れない強い力が生まれる」ということをメッセージとして発しています。山口大学のこれからの研究についても、一人でやるのではなく多くの人と連携・結束して行う必要があると思っています。狭い領域に拘らずに、広い視野で自分の研究を見つめ直し様々な技術と融合させていくことが、これからの地方大学が目指す組織体制だと感じています。学生の皆さんにも自分の研究だけでなく周りの研究分野についても積極的に触れ、刺激を受けることで新しい研究の可能性を見つけていってもらいたいと思っています。そういう研究者であり教員でありたいと思っています。

生物は“生きている”という特別な存在ではあるものの，それを構成しているのは原子・分子で，その分子を合成するのは細胞内の化学反応です。いいかえると，生物は化学反応から生み出されています。生物は，外部から得た分子を材料に自分自身を構成する分子を常に合成しています。つまり，自然にある物質を，様々な物質に変換する能力を持っています。この様な生物が持つ一連の化学反応のことを代謝といい，代謝を利用した生産物として，伝統的な発酵食品である日本酒や味噌，醤油が挙げられます。材料の米，大豆や麦に含まれる高分子（タンパク質，デンプン）が分解され，代謝を経てうま味や香りを持つ様々な分子が生成しています。

発酵食品は多くの分子が混在していますが，近代以降，純粋な物質を生産するために発酵が利用されるようになりました。代表例は酵母菌が生産するエタノールで，石油代替燃料として世界中で生産が拡大しています。燃料用エタノールは植物資源～バイオマス～を材料にして生産するのでバイオエタノールと呼ばれますが，発酵という生物～バイオ～の仕組みを使うことも含めて，バイオエタノールと私は考えています。バイオエタノールは炭素資源であり、これが燃焼すると二酸化炭素になります。二酸化炭素は植物に吸収・固定され再びバイオマスとして利用することでバイオエタノールを生産可能です。このように炭素資源が循環することからバイオエタノールは再生可能なエネルギーとして期待されています。飲料や燃料用アルコールは，生物に備わっている基本的な代謝経路で生産することができますが，他の生物に比べて特にこの能力が発達している酵母菌がその生産に適しています。酵母菌は日本酒，ワインからバイオエタノールまで，アルコールの生産に欠かせない微生物です。

エタノール発酵の起源は今から3千年以上もさかのぼると言われています。また，発酵は生物の基本的な代謝を利用して進行することから，最初に詳細が明らかになった代謝経路でもあります。エタノールを発酵により生産する技術は、第１次オイルショックのころにブラジルでバイオエタノールの生産技術が大きく発展しましたので，ちょっと古い技術と思われがちです。ところが，2000年ごろからバイオエタノール生産は飛躍的に拡大し，多くの研究者や企業が新しい技術開発を積極的に進めています。再び開発が進められるようになった理由は，化石燃料の使用に伴う大気中の二酸化炭素濃度の増加と枯渇しつつある化石燃料へのエネルギー依存を克服するためです。前者は既に気候変動をもたらしており，放置すると深刻な問題になると危惧されています。後者も，採掘技術の進歩による化石燃料の増産が期待できるとはいえ，いずれゼロになることは明白です。従って，再生可能な材料からエネルギーや物質を合成することは人類の未来に欠かせない技術です。

研究しつくされた感のあるエタノール発酵にどのような工夫ができるか？一つの方法は耐熱性の酵母菌を使うことです。発酵生産中には温度が上昇しますが，通常の酵母は高い温度に強くありません。そのため，発酵槽を常に冷却して，酵母菌の発酵に適した温度に維持する必要があります。バイオマスが豊富な地域はもともと気温が高いので，冷却は不可欠です。これに対して耐熱性のある酵母でエタノール生産できればこの冷却コストを削減することができます。+5℃～10℃程度の高温ですが規模の大きいエタノール発酵ではコスト削減効果は大きくなります。温度を少し高くできると，他の微生物の混入を防ぐ，発酵液の粘度を下げるなどのメリットも生まれます。さらには，デンプンや将来のセルロースやヘミセルロースなどの多糖を原料にしたエタノール発酵の効率化にも効果が期待できます。これらの多糖は分解されて初めて酵母が利用できますが，高温になると分解のための酵素活性が高まるからです。

Kluyveromyces marxianus (クルイベロマイセスマルキシアヌス）はエタノール発酵に優れている耐熱性の酵母菌です。私は、タイの研究者や企業研究者と協力して，この耐熱性酵母を用いた効率的なエタノール発酵技術の開発を進めてきました。タイで，キャッサバイモからデンプンを抽出した後の廃棄物（バイオマス）を材料として，この中に残るデンプンを効率的にエタノールにできることを，実証しました。
もっと効率的な高温でのエタノール生産技術にするために，耐熱性の強化や耐熱性の仕組みを調べています。実はエタノール発酵は酵母にとって快適な状況ではなく，生産されるエタノールや材料である高濃度の糖は酵母にとってストレスにもなります。ストレスに強い酵母を作ることもエタノール発酵の効率化に貢献します。

未来に向けては，エタノールだけでなく，社会に必要とされる様々な物質もバイオマスを材料に，耐熱性酵母で生産することが期待されます。化学，生物化学，遺伝子工学に加えて情報技術も駆使しながら価値のある細胞を開発していきたいと考えています。

医薬品などの分子は優れた生理作用を効率的に発現するために、多種多様な分子構造（炭素原子で構成される構造）を有しています。世界的な人口増加は医薬品の潜在的な需要を押し上げており、それらをどのようにして大量かつ安定的に供給するかが大きな課題です。もちろん、それら分子は自然から採取するのではなく、人工的に作らなければなりません。分子を“作る”ことを、専門用語では“合成する”と言い、これを扱う学問が合成化学です。

我々は、金属を触媒として用いる新しい分子合成法の開発に焦点を当てて、１）金属によるラジカルやイオンなどの活性種制御法開発、２）金属触媒反応によるこれまでにない選択性の発現、そして、３）医薬品などの有用分子を金属触媒反応により効率的に合成する方法の確立という３つの研究目標を掲げて研究を行っています。金属による分子合成研究分野は、数年に一度はノーベル化学賞の受賞対象となるような社会的に非常に大きなインパクトを持っています。従って、複雑化する医薬品分子を金属触媒により迅速かつ精密に合成する研究は、この分野を象徴する研究課題でもあります。

合成化学を行う上で重要な化学種は、ラジカル、カチオン、そしてアニオンといった非常に反応性の高い活性種です。これらをどのように発生し、反応性を制御するのかが新しい合成反応開発の鍵となっています。我々の研究室では、活性種制御を実現するために、“銅”という金属の性質に着目しています。銅は古くから人類になじみの深い元素であり、現在においても硬貨や電線など身近に大量に使われています。特に注目している銅の性質は、“一電子移動”というものです。

これは、金属から電子が一つだけ移動する現象であり、有機ハロゲン化物と反応することで、“ラジカル”という非常に活性な化学種を生成することが可能です。さらに、ラジカルが銅により酸化されることでカチオンという化学種も生じます。我々は、銅反応系を使うと多種類の活性種を比較的簡単に使いこなすことができるのではないかと考え研究に取り組んでいます。その結果、数ある合成反応の中でも“アルキル化”という反応に銅触媒が効果的であることを突き止めました。アルキル基は医薬品などの分子を構成する基本骨格の一つであり、鎖状及び環状構造が存在します。我々の開発した銅触媒アルキル化反応は、様々な鎖状及び環状構造を有するアルキル骨格を合成することができるため、この技術を駆使して薬理活性物質などの医薬品を迅速に合成できると期待しています。もちろん、そのためには銅触媒によるアルキル化反応を、活性種と反応形式の相関、及び導入可能なアルキル骨格の観点からもっと深く調べる必要があります。

これにより、一つの活性種のみでは達成し得なかった末端アルケンへの新しい3級アルキル化法を報告しました。すなわち、反応させにくかった3級アルキル基をラジカル反応で制御し、続くイオン反応で全体の反応形成を制御するというものです。これにより、3級アルキル基を有するE及びZ置換アルケン、そしてアリル化合物を合成することができました。まだまだ満足のいくアルキル化反応は確立できていませんが、異なる活性種を一つの反応系に混在させるという斬新なアイデアで、有用分子合成にブレークスルーをもたらしたいと日々研究に励んでいます。

金属錯体を使う合成化学は大変面白い学問です。分子レベルの現象を制御し、望みの化合物を作り上げることができる反応を誰でも見つけることができます。
しかし、そのためには実験台に沢山の反応容器を並べて、試薬の効果をひとつずつ試さなければなりません。おそらく、他の分野に比べて倍の手間や時間がかかると思います。その分、身に着けることができる技術も桁違いに多く、例えば、反応一つを仕込むだけでも、試薬知識、蒸留技術、有機溶媒効果、実験器具の取り扱い、分子反応論、そして、分析技術が必要になります。学部４年生にとっては、覚えることが多く非常に大変です。一方で、苦労して身に着けた技術を使って自分自身の手で新たな自然現象を見出せたときには、努力の甲斐があったな、と強く実感することができます。自分の発見が教科書の新たな1ページになる可能性もあるのです。

そうして苦労して仕上げた実験データを論文としてまとめあげたときのうれしさは、格別です。また、論文に掲載された内容が優れている場合には、その雑誌の表紙を飾ることも可能です。表紙に選ばれた場合には、自分たちの研究内容のイメージ画像を作ることになります（左図：本研究室の成果が表紙に採択された雑誌[Angewante Chemie誌、ACS Catalysis誌]）。自分らが発見した自然科学を画像イメージにすることはなかなか難しいですが、これもまた楽しい瞬間でもあります。ぜひ、我々と一緒に電子材料、医薬品や化粧品などの分子造形研究をしましょう！

今、皆さんの生活の中で使用されている様々な機器の中には、電池（バッテリー）が入っています。変わったところでは、皆さんの家の外にあるガスメーター（ガスの使用量を測定記録する装置）の中には、10年近くの寿命を持つ電池が入っています。電池には、大きく分けて、1回だけ使える電池（一次電池）と充電して再び使える電池（二次電池）があります。この二次電池は、スマホやタブレット、ノート型パソコンにも使われており、皆さんも何個か（あるいは十数個以上かも）知らず知らずのうちに使っています。

スマホを毎日、毎日充電しないと困る、あるいは、途中でバッテリーが切れて困った、という経験を持つ人も多いかと思います。長持ちする二次電池をどうやって実現するか、それを可能にする材料の開発を私達は研究しています。

スマホに使われている二次電池の高容量化から、さらには、より大型の二次電池の実用化も社会からの要望が高くなっています。このような大型二次電池は、太陽光や風力で発電した電気を安定に供給するために一時的に蓄えることや、電気自動車に搭載することを目指しています。この大型二次電池に使用される材料が備えるべき条件としては、
(1)単位重量あたり、より多くの電気を蓄えられること、
(2)大量の材料が簡単に安く入手可能なこと、
(3)安全性が高いこと、
などが挙げられます。この(1) ～(3)を実現可能な材料として、硫黄が注目されています。
　硫黄は、(1)今までの材料の約5倍から10倍の電気が蓄えられること、(2)石油の精製工程の副産物として大量に生成していること、(3)室温付近では、固体であるため電池容器などを簡素化できること、などの特徴を持つため、次世代二次電池の材料として注目されています。

しかしながら、問題点もいくつかあり、それらを化学の力を使って解決すること（硫黄を含む新しい化合物を合成する等の方法）で、たくさん電気が蓄えられる二次電池を造り出すことを目指しています。

電池に用いる材料そのものを、今までのものと違う材料として、たくさんの電気を蓄える電池を実現する方法の他に、電極そのものの構造を工夫することで、たくさんの電気を蓄えたり、一度にたくさんの電気を使えたりする電池を実現することも目指しています。
今までの電極は、電気を蓄える材料（電極活物質）粉末に炭素材料（電気を流れやすくするため）とある種のポリマー（糊の役割をして、電極の形に成形しやすくする材料）をよく混ぜて造っていました。このようにして造った電極は、電極活物質以外の材料（言い換えると電気を蓄えることに直接関与しない材料）を含んでいるため、出来上がった電極の単位重量あたりに蓄えられる電気が目減りしてしまうことが問題になっていました。
私達は、電極活物質だけで電池用電極を造るために、電極活物質を極めて細い繊維（太さが髪の毛の50分の1～100分の1以下）を電界紡糸法という方法で造り、この極細繊維からなる布（不織布とも言います。）を電池用電極に用いる研究も行っています。

この電界紡糸法は、極細繊維を簡単な装置で造り出す方法として、注目されており、私達のような電極への応用の他、ウィルスなどをキャッチできる極めて目の細かいフィルター、大量の環境汚染物質を吸着できる布、皮膚の代わりになる人工皮膚材料などとしての応用を目指した研究も行われています。

電界紡糸法で造ることのできる極細繊維の面白い応用を１つ紹介しましょう。
電界紡糸法で造った極細繊維に無電解めっき法を用いて、極細繊維の表面に金属の薄膜を均一に付けることができます（高校の化学で習う銀鏡反応と似た反応）。ちょうど、竹輪を作るときに、竹の棒のまわりに、魚肉を表面に均一に付けるようなイメージです。この状態から、極細繊維（竹輪で言えば竹の棒）を取り除くことで、金属でできた極めて細い竹輪（金属からできている中空繊維）を作ることもできます。この材料については、有害な有機化合物を素早く分解する触媒としての応用や電極材料への応用を目指した研究を行っています。

水素(H₂) は化成品の重要な基本原料であるのみならず、燃焼させると高いエネルギーを発生させ排出されるのは水(H₂O)のみです。このことからH₂は、次世代のクリーンエネルギーを支える物質として注目されています。一方、H₂の製造法に目を向けますと、一般的には石油などの化石資源を用いた水蒸気改質法が主流でありH₂O由来のH₂が生成する反面、温室効果ガスである二酸化炭素(CO₂)を副生します。そこで化石資源の枯渇や温室効果ガス削減の観点から新しい持続的なH₂製造法の開発が期待されています。常温・常圧は化学的に非常に安定なH₂Oの直接分解によるH₂の製造はその一つです。

しかし、H₂Oを分解してH₂と酸素(O₂)にする反応は非自発過程であるため、この反応を起こすためには大きなエネルギーが必要です。例えば、このエネルギーに電気を用いるとH₂Oの“電気分解”が進行します。H₂Oにエネルギーを与えて分解することで与えたエネルギーと同等のエネルギーを含有する物質H₂とO₂が生成します。すなわち、反応に加えられた電気エネルギーが物質の含有するエネルギー（化学エネルギー）へ変換されたことになります。このエネルギーが太陽光などの自然エネルギーであれば、この反応で得られるH₂は持続可能な化学エネルギーとなり得ます。

また、先に挙げたように光エネルギーで反応を駆動させるため光エネルギーを化学エネルギーへ直接変換できる魅力ある反応系でもあります。太陽光照射の下でこの反応が高効率で進行させることのできる光触媒が開発できれば持続的にH₂OからH₂を製造するプロセスを構築することが出来ます。このような観点から半導体光触媒を用いたH₂O分解反応の研究は広く行われてきました。しかし、この反応に作用できる光触媒の効率は不十分で、さらに可視光域の光を利用してこの反応進行させることのできる光触媒は限られています。このよう状況下で我々の研究の方向性は次の二点に絞られています。
I． H₂O分解反応を非常に高い効率で進行させることのできる光触媒の開発
II． 太陽光有効利用の観点から可視光を利用してH₂O分解反応を高効率で進行させることのできる光触媒の開発

我々は上記の項目Iに注目して光触媒の開発を検討しています。

我々は上記の項目Iに注目して光触媒の開発を検討しています。

第1番目を目的とした光触媒の修飾では、光触媒粒子の高結晶化、微粒子化を目指した調製法、調製条件の制御や金属イオンの添加によるバルクの状態制御が挙げられます。第2番目を目的とした光触媒の修飾では、光触媒表面上でのH₂Oの還元・酸化に対する反応場の分離に有効に働く助触媒の組み合わせが挙げられます。これらの効果を相乗させることでH₂O分解反応に対する光触媒の高活性化が実現できます。Ga₂O₃の場合、第一番目の修飾として、調製法制御による微粒子化及びZnイオンの添加、更に第二番目の修飾として表面上での逆過程を有効に制御できる助触媒RhyCr₂-yO₃を組み合わせで条件を最適化することにより、修飾の効果が相乗することで高活性化が実現しました。
　ここで、最適条件で調製されたRh_0.5Cr_1.5O₃/Ga₂O₃-Zn光触媒のH₂O分解活性は、H₂O分解に光触媒活性を見出した当初のNiO/Ga₂O₃と比較して200倍以上向上し、見かけの量子収率は57%となりました。この光触媒による水分解反応はNHK放送大学の“現代化学”の教材に採用され水分解反応の動画が放映されています。左図にはこの動画中の写真を示します。光触媒の反応容器からH₂O分解に伴う絶え間ない気体発生の様子が観測できます。
　次に、この光触媒の更なる高活性化に挑戦しました。その結果、Ga₂O₃調製に希薄Caイオン水溶液を使用して調製したGa₂O₃ (Ga₂O₃(UP-Ca))を光触媒に用いて同様にZnイオンを添加しRh_0.5Cr_1.5O₃助触媒を組み合わせた光触媒がH₂O分解反応に対して更に高い光触媒活性を示すことが観測され、その見かけの量子収率は70%を超えました。紫外線照射下ですが、この見かけの量子収率の値は光触媒によるH₂O分解反応ではこれまで報告された値の中で最高の値です。このように光触媒によるH₂O分解反応は自発的な逆過程を如何に抑えるかが鍵になります。そこで、Ga₂O₃以外の半導体光触媒でも高活性化に挑戦しました。

SrTiO₃は、光触媒によるH₂O完全分解反応が初めて見出された1980年代初頭からこの反応に光触媒活性を示す光触媒の一つとして知られていた酸化物半導体です。このSrTiO₃は地上に降り注ぐ太陽光の約5%に相当する近紫外域ほぼ全域の光を吸収して光触媒作用を発現できますが、その光触媒活性は低いものでありました。我々の研究室ではGa₂O₃光触媒によるH₂O分解反応の高活性化のプロセスに基づいてSrTiO₃に金属イオンを添加し助触媒としてRh_0.3Cr_1.7O₃を用いSrTiO₃への金属イオン添加の光触媒活性に与える影響について検討しました。その結果、用いるSrTiO₃は純度の高いものが良いこと、SrまたはTiと置換可能な低原子価な金属イオンの添加が有効なことが判明しました。ここで調製された最適な光触媒Rh_0.3Cr_1.7O₃/SrTiO₃-NaのH₂O分解反応に対する近紫外線照射下での見かけの量子収率は16%でありました。
　一方、この研究は東京大学と共同で進めており、そちらの方ではフラックス法を応用して調製したAlイオンを添加したSrTiO₃がH₂O分解反応に非常に高い活性を示し、その見かけの量子収率は30%を超えました。

また、この調製方法と条件を改良することで更に効率の良いSrTiO₃光触媒の開発に成功し、その見かけの量子収率は50%を超えました。このような光触媒が開発されたことは光触媒によるH₂O分解反応の研究が始められた当初の1980年代にかけて“夢”とされていた光触媒の開発が実現したことにもなります。 SrTiO3を光触媒とすると太陽光の照射下でも光触媒反応を進行させることが可能です。右上図には、高活性化されたSrTiO₃(Rh_0.3Cr_1.7O₃/SrTiO₃-Al)をガラス平板上に薄く塗布し、水中に沈めた後に、太陽光を照射したときの光触媒からH₂O分解に基づく気体発生の様子です。太陽光照射下でも光触媒からH₂O分解反応に基づく気体発生が観測できます。

　現在の生活を支える素材のプラスチック。軽くて強くてそして安くて、今やそれなしにはどんな製品も考えられないくらい幅広く使われています。おかげで我々の生活もこの50年で一変。重たくて堅い金属や木製品に替わってあらゆる場所で使われています。そうしたプラスチックも、製品寿命が20−30年と短いのが困りもの。そしてひとたび「廃棄物」となってしまったら、今度はその処理が「やっかい」なことに。これまでプラスチックの「軽い・堅い・安い」の利点は、「かさ高い・こわしにくい・コストの回収ができない」といった「欠点」としてそっくり跳ね返ってきます。金属でしたらリサイクルして新しい製品によみがえることもできますし、自動車などその90％がリサイクルに回されていると言われています。

　しかしプラスチックの場合、これまでは埋め立てか焼却が主流であり、リサイクルに回されているのはごくわずかありませんでした。プラスチックだって限りある資源です。何とかリサイクルしたいものですね。

　プラスチックのリサイクルにはいくつかの手法があり、大きく分けて、マテリアルリサイクル（プラスチックを物理的にリサイクルする方法）、エネルギーリサイクル（プラスチックを燃やしてエネルギーを取り出すリサイクル法）、そして化学リサイクル（プラスチックを化学処理して新しいプラスチックなどに生まれ変わらせる方法）の3つがあります。このうち最も理想的なのは化学リサイクルですが、なかなかその実現は困難でした。

　リサイクルが困難であったのには大きく分けて2つの理由があります。1つは化学的な理由。プラスチックは多種多様。ポリエチレンもあればアクリル樹脂もある。ナイロンだってPETだってある。たくさんの種類があるということは、たくさんの種類の「化学物質」がある。これらを、化学リサイクルするためには、原料のモノマー（プラスチックの単位となる化学物質）に変換しなければなりませんが、「もの」が違えば「反応」も「性質」も違う。どうやったら効率的に変換ができるのか？そこで有機化学の出番です。プラスチックだって有機物。有機反応をしないはずがありません。ただ、固体で固まっていますから、液体の状態よりは反応しにくい。そこで超臨界アルコールを使って高温にして少し柔らかくして反応しやすくします。あとは普通の有機化学で起こせる反応をすればいい。幸いにも最近の有機化学はとてもよい反応をたくさん開発していますから、最新の優れた反応条件を駆使してやればきれいにモノマーに変換できる。

　そうやって最新の有機化学を駆使することでこれまでに不飽和ポリエステル由来のFRPやポリアミドを高効率で対応するモノマーに変換する新しい方法を開発してきました。

　しかし、もう一つの問題があります。それは経済性の問題。プラスチックの再生には、どうしてもコストがかかります。ところが今のように石油が安ければ、石油から作った方がはるかに安いし、クオリティーも高い。となると売れないし結果的にコスト面で行き詰まってしまいます。どうしましょう。そこでまたまた有機化学の出番です。プラスチックからプラスチックに変換するのではなく、廃棄プラスチックからより価値の高い物質を生み出せばいい。そうすれば高く売れて、コスト回収も何のその。きっとビジネスも十分できる。そこで私たちはグリコール酸を触媒にしてポリアミドプラスチックを処理し同時にモノマーを変換して、モノマーよりも数倍の価格を持つより高価な化学原料（ヒドロキシカルボン酸）に変換する方法を開発することに成功しました。そして反応のメカニズムを考えることで、その方法の効率を80％以上に高めることにも成功しました。これこそ有機化学の強み。反応の中身を理解することで、新しい方法を開発でき、プラスチックは今や宝の山になるところまできたのです。まさに有機化学の力、面目躍如といったところです。

　イオン液体は一言でいえば「常温で液体になる塩」のことです。塩化ナトリウムも塩ですが融点は800℃。しかし、プラスイオン（カチオン）とマイナスイオン（アニオン）をいろいろ工夫してそのコンビネーションを変えていくと、室温で液体になるのが出てきます。これをイオン液体といいます。イオン液体はこれまでの普通の液体（例えば水やガソリン）と比べてまったく異なる性質を示すので第3の液体として大変注目を集めています。私たちはこれにも着目し、化学リサイクルに使えないか考えました。注目した性質は「高沸点」と「難燃性」。イオン液体は種類にもよりますがいくら高温にしても沸騰しないものがあります。これは300℃ぐらいに加熱しなければならないこの目的には好都合です。また「難燃性」も、高温の有機溶剤が簡単に燃えてしまうことを考えると、安全に反応操作ができる点で有利です。イオン液体は回収再利用も可能なので、高価ではあるもののこの利点で何とか乗り切れそうです。

そこで、プラスチックのモノマーへの分解に使ってみました。すると予想通りポリアミドが対応するモノマー原料のカプロラクタムにうまく変換できることがわかりました。これはイオン液体を世界で初めてこのような用途に使えることを示した論文として、発表当時には国外からもとても大きな注目を集めました。さらにうれしかったことに、現在大量に存在しているセルロースなどのバイオマスも簡単にグルコースに変換できることも見つけることができました。
私たちの方法では疎水性（油に溶け易い）イオン液体を使うので、得られたグルコース（水によく溶ける）を、イオン液体の混じりなしにきれいな形で捕まえることができ、その後の用途に容易に使うことができます。実際、私たちの方法で得たグルコースは発酵させてエタノールに変換できることも先駆的な研究からわかっています。

　セルロース以外のバイオマスとしてソルビトールのイソソルビド（バイオプラスチックの原料ばかりでなく医薬品でもあります）高効率変換も達成しました。この方法では、イオン液体とソルビトールに触媒を加えて電子レンジで10分ほど加熱するだけで反応完了します。まるで、インスタント食品を作る感覚で役立つ有機反応を開発することができました。夢のようですね。

　こういった反応の開発は常に驚きの連続です。予想したことと違うことが起こるからおもしろい。最初にFRPを分解する反応を見つけたときも、思いつきで加えた有機触媒（ジメチルアミノピリジン）が、こんなにも完璧にFRPを分解し、さらには成分ごとに分別してくれるとは夢にも思いませんでした。この実験をしてくれた人の、あの興奮に満ちた喜びようが今も忘れられません。超臨界アルコールの反応でも、それまできれいに反応が行かなかったのに、イソプロパノールを使ったとたんに完全に生成物が1成分のとてもクリーンな反応になりました。また超臨界メタノールを使って反応したときも、予想していた生成物ではなく考えもしなかったヒドロキシカルボン酸ができていることを注意深く見つけてくれたのも、実験をしていた学生さんでした。このように反応をやっていると考えもしなかったことがしょっちゅう起こってくれます。そのたびに、何が起こったのか、フラスコを注意深くみて考えてくれる学生や院生の見つけてくれた新しい発見が、この化学を大きく発展させてくれたおかげでここまで来ることができました。有機化学は、やっぱりやってみないとわからない。やってみた先に真に新しい化学が生まれてくる。そこにおもしろさがある。基礎的なことの積み重ねからこそ、新しい応用分野は進歩するのだと言うことを、毎日毎日勉強させてもらっています。化学は無限。今日もまた、新しい驚きが来る、そんなわくわく感が、この研究を支え続けてくれましたし、これからもそのように続いていくことと思います。

　マンガン(Mn)は鉄に次いで資源量の多い重金属であり，世界各地で産出され，コスト，環境適合性という点で優位な元素です。バーネサイトは海底マンガン団塊を構成している鉱物の一種で，MnO6正八面体が稜を共有することでシート構造を形成しています。Mnは主に4価で存在しますが，一部が3価に置換されることで負に帯電しており，この負電荷を電気的に中和するために陽イオン(一般にはアルカリ金属イオンなど)がサンドイッチされています。その結果，上図に示すミルフィーユのような構造をしています。

“ミルフィーユ型”マンガン酸化物(鉱物名バーネサイト)は様々な化学的手法によって合成が試みられてきましたが，私たちは1Vで進行する電気化学反応を使って，この物質の透明薄膜化に世界で初めて成功しました(特許第4547495号「層状マンガン酸化物薄膜を製造する方法」他，Inorg. Chem. 2004, Langmuir 2005他)。私たちの方法を使えば，大小様々なサイズや特徴をもった陽イオンをサンドイッチでき，世の中に無かったナノコンポジット(異なる分子やポリマーがナノレベルで複合化した物質)の作製が可能になります。このような構造は，層間化合物あるいはホスト－ゲスト化合物とも呼ばれます。どちらかの機能だけでなく，両者のシナジー(相乗効果)を引き出すことが理想です。電気化学法は導電性さえあればどんな形状の基板にも均一な薄膜が形成されるため，工学的応用においても有利だと言えます。

カチオン性界面活性剤をサンドイッチすればマンガン酸化物層間に有機相，すなわち疎水な環境を組み込むことができます(右図参照)。このとき，シート間隔は界面活性剤の分子サイズによってサブナノメートルオーダーで調整できます。一方，マンガン酸化物シートは酸化還元活性を有しているので，外部回路から層間に電子を受け渡すことができます。したがって，このコンポジットは有機溶媒で満たされたナノサイズの電気化学セルと見なせます。
私たちは，こうした有機-無機複合体を“オルガノマンガン酸化物”と呼んでいます。以下，マンガン酸化物と層間有機相のシナジー(相乗効果)が現れた研究例を紹介します。

ヨウ素は甲状腺ホルモンの成分として人にとって必須元素であると同時に，工業原料，医薬品，殺菌剤として幅広く利用されています。一方，コンブなど藻類はヨウ素を選択的に濃縮する機能をもっていることが知られています。コンブの働きを学べば，海水からヨウ素を資源として回収したり，放射性ヨウ素(例えば，長寿命I-129)を環境から除去することができます。

私たちは界面活性剤（ヘキサデシルピリジニウム，歯磨き粉に入っている）の分子層をサンドイッチしたオルガノマンガン酸化物薄膜が，海水成分の中からヨウ化物イオンだけを選択的に吸着できることを見出しました。これはヨウ化物イオンが他の海水成分に比べ，水和安定化エネルギーが小さく，層間の疎水場を好むためです。さらに，吸着後のフィルムを外部回路を使って酸化すると，ヨウ素が放出され，元の状態に戻ることが明らかになりました。一般的な吸着剤は薬剤によって元の状態に戻すのに対して，薬剤を使わない“セルフクリーニング”が可能です。さらに，酸化時の電流を計測すれば，吸着量が分かるのでセンサーとしての応用が期待されます。

スーパーキャパシタは急速充放電が可能，環境に優しいといった特徴をもつ新しい蓄電デバイスです。現在市販されているスーパーキャパシタは炭素/有機電解液界面でのイオンの物理的な吸脱着によって電気エネルギーを蓄えます。これに対して，遷移金属酸化物や導電性ポリマーは，速く可逆なレドックス反応と電荷補償のためのイオン移動によって大きな擬似キャパシタンスを発現することが分かっており，大容量の次世代キャパシタとして注目されています。中でもマンガン酸化物は，安価，安全，低環境負荷であることに加え，理論容量が大きいという利点があります。私たちは，上に述べてきたマンガン系層間化合物の合成技術を活かして，マンガン酸化物を被覆した炭素繊維を作製し，水系電解液で動作可能なウエアラブル電源としての応用を目ざしています。

バーネサイト(層状マンガン酸化物)フィルムは山口大学で生まれ，私たちが大事に育ててきた研究です。その構造はカチオンの種類や電気化学パラメータなどの組合せによって無数に変えることができます。一方，その機能を引き出すには，生成物の特性を正しく理解し，私たちにしかできないことをやるのが理想的です。時には目的を捨て，頭を空っぽにして，並べたデータを眺めることによって新たなオリジナリティが生まれることもあります。オリジナルと言ってもその源泉は研究のごく一部分にしか存在せず，残りの大部分は既存の科学と研究室で目にする現象から学ぶべきだと考えます。ですから，私たちは研究室での多くの時を謙虚に過ごす必要があります。

夜空を見上げると簡単に見える月には、今まで12人の人間だけが足跡を残しました。また火星には人類の誰も到達しては居ません。最近この月・火星の探査が活発化し、日本でも大きな研究が動き始めています。既に地球の周回軌道上には宇宙ステーションが人類の基地として活躍しており、金属、有機材料や繊維などが人の居住空間を維持する密閉空間を構成し、様々な実験及び観測等を行っています。一方、将来的には月面や火星地表面に基地を作ることもロードマップに掲載されています。月及び火星基地では、宇宙ステーションより広くかつ安全な構造体を建築しなければなりません。その為には必要な物資を地球から運搬せずに、月さらには火星に存在している原料から製造する方法を開発する必要があります。

米国が2030年代以降に有人火星探査を目指し、その前にも月面基地建設を行う計画です。日本も2020年には月面探査機を打ち上げて、月面探査を行う予定です（日本人はまだ誰も月面には降りていません）。その目的は、資源開発、宇宙の起源、火星探査の足掛かり等ですが、世界全体で月面基地材料の研究が活発化しています。日本の宇宙開発の中心である宇宙航空研究開発機構（JAXA）でも、月・火星での探査等をめざし、平成27年「太陽系フロンティア開拓による人類の生存圏・活動領域拡大に向けたオープンイノベーションハブ」の大型研究が初めて立ち上がり、企業、大学の研究提案を公募しました。

我々も、10年位前から月面でのセメント等の基礎的研究をJAXAの宇宙環境利用プロジェクトで研究を開始し実績もあるので、今回のこの公募に様々な会社と共同で応募し、「月面における建設資材の現地生産技術」に採択されました。

山口大学の研究は、月面の土壌であるレゴリスに着目し、それを珪酸塩と混ぜ合わせて、ジオポリマー法と呼ばれる方法で、固化体を作ることが主な研究です。元々研究室の前任者の池田教授がこのジオポリマー法を長く研究し、また私もJAXA等と共同でレゴリスからの酸素抽出等の研究を行い、レゴリスを構成している鉱物について調べてきました。月面レゴリス中にはガラス成分が多く、このガラス含有レゴリスに珪酸塩と水を添加して混合すると、室温でも容易に固化体(ルナポリマー固化体)が作製出来ることを見出しました。この成果は、研究室の学生の皆さんの勤勉のおかげだと思っています。

ケイ酸ガラスはアルカリ溶液中では溶解しますが、この溶液に金属イオンが存在すると溶けたケイ酸が重合し、重合すると難溶化し固化体が作製出来ます。この無機ポリマーについては、Davidovitsが1982年に特許を出願して以来、研究がすすめられています。

無機ポリマーとしては、火力発電所等で脱硫過程で発生するフライアッシュ等で固化体を作製していますが、今回我々は、月面のレゴリス中にはガラスが多いことに着目し、レゴリス組成のレゴリスシミュラントから固化体が作製出来ることを見出し、簡単で高強度な固化体作製法を開発しました。

月レゴリスを用いる固化体作製については、まだ詳細は明らかに出来ませんが、通常のセメントより強度がある固化体を簡便に作ることが出来ます。また従来の月面基地材料研究では、月面のレゴリスを加熱しセメントを製造する、または溶かしてガラス化する等が主なものでしたが、我々の研究は加熱も殆ど不要であり、レゴリスをそのまま加熱無しに固化できる点で大変有利です。この成果は、2011年にドイツでのISPS (international space physics symposium ) に初めて発表しました。その後本方法での固化体製造が有効であることが明らかになり、欧州宇宙機関（European Space Agency, ESA）、NASA等でも同様な研究が発表され、新しい知見も蓄積されつつあります。我々もJAXAのイノベーションハブ研究でのメンバー企業と共同で研究を推進し、山口大学工学部応用化学科発の月面基地製造法を確立したいと考えています。