現在の化学合成や化学品生産においては熱エネルギーの利用が主流であり、温室ガス排出削減を達成する新たな合成法・生産法の創製・確立のためには、熱エネルギー以外のエネルギーの積極的な利用が重要課題です。

電解反応は電極と反応基質間の直接電子移動に基づく酸化還元プロセスであることから、重金属などを含む酸化還元剤を必要とせず、また常温・常圧で反応実施できる環境調和型電子移動プロセスといえます。しかしながら、従来の電解反応では反応場が2次元平面であるため生産性に乏しいこと、電気伝導性を付与するために支持電解質の添加が必要となること、利用できる溶媒が限定されることから基質適用範囲が狭められてしまうこと、電極間の溶液抵抗によりエネルギー効率の低下を引き起こしてしまうといった課題が残されております。このような課題に対し、我々のグループではPEM型リアクターを用いてその解決を試みております。

PEM型リアクターとは燃料電池にも採用されている固体高分子型電解セルの事を指します。PEM型リアクターによる電解反応プロセスには次のような利点があります。

・固体高分子電解質を用いているため、電気反応において必要とされる支持電解質の添加が不要となります。そのため、支持電解質を溶解しないような非極性溶媒中でも電解反応が実施でき、基質適用範囲が大幅に拡充されます。

・陽極と陰極が隔膜だけにより隔てられているゼロギャップであり、良好なエネルギー効率で反応が実施できます。

・電極基体が3次元的であるため時間・体積当たりの反応量を多くすることが出来ます。

図1(a)にはPEM型リアクターの概略図を、また図1(b)には膜接合体（MEA）の構成を示しました。MEAは拡散層、金属触媒、カーボン担体、不斉源、イオノマー、及びNafion膜から構成されています。カーボン担体に担持された金属ナノ粒子触媒は目的の反応に応じた適切な金属材料が選定されており、イオノマーはプロトン伝導媒体として加えております。電解反応は三層界面において効率的に進行いたします。

以上の背景から、我々の研究グループでは持続可能な社会の実現に資する革新的な生産プロセスの構築を念頭に、PEM型リアクターを利用する革新的な電解合成プロセスの構築を推進しております。特に医薬・農薬・香料など工業的価値の高い化学品の合成反応にターゲットを絞り、各反応に適した電極触媒、反応溶媒の選定を行い、工業化が見込まれる有望な電解反応においては高電流効率化、高選択化を目指しております。

図1. (a) PEM型リアクターの概略図および(b) 膜接合体（MEA）の構成.