For Future Breakthrough

Exploring the Novel Reactions in the “Electro-Nanoreactor”

Beyond bulk metal catalysts, we have employed host-guest layered materials as platforms to design electrocatalysts that combine the tunability of molecular catalysts with the practical advantages of heterogeneous catalysts. Host-guest layered materials are a class of hybrid materials constructed from metal oxide layer (host layer) and compound with cationic nature (guest layer). Compared with traditional heterogeneous electrocatalysts such as metal alloys, host-guest layered materials possess unprecedented tunability by modifying components within the guest layer. Furthermore, we have demonstrated that the guest layer can contain metal complexes, sub-nano metal particles, and hydrated cations, which can be utilized as the electrocatalyst by the electron transfer through host metal oxides. Therefore, the guest layer can be considered a tunable electrochemical nanoreactor, containing both reactant and electrocatalysts. Future works will focus on the design of the electro-nanoreactor, which is then implemented in a variety of electrocatalysis, including oxygen reduction reaction, water splitting, and CO₂ reduction reaction.

　電気化学反応の主役は触媒を含む電極です。あらゆる触媒反応と同様に、この電気化学反応の理想形もまた、「所望の生成物のみを、速やかに、かつ必要最小限のエネルギーで得る」ことです。そのためには、反応メカニズムの理解に基づいて自在に設計できる電極触媒材料が必要不可欠となります。

　我々のグループでは、理想的な電気化学反応を実現するべく、１つ１つの分子が独立しており、原子レベルで設計可能な均一系触媒の長所と、外部回路からの電気エネルギー（電子）の出し入れに対応できる不均一系触媒の利便性を兼ね備えた、新しい電極触媒材料系の創出に挑戦しています。その実現のため、私たちは層状MnO₂からなる「ホストーゲスト交互積層体」に着目した検討を進めています。本材料は、層状MnO₂層間のゲスト空間（＝ナノ反応場）には、反応に必要な要素（触媒、溶媒）を収容でき、電極から電子が、電解液から基質がアクセスすることで電気化学反応を進行させることができます。このナノ反応場を用いることで、従来材料には不可能であった、電子状態をはじめとする材料因子の精密制御、活性サイトの幾何構造の自在設計、活性サイトを取り囲む液相基質の能動制御を実現し、触媒特性の飛躍的な向上、さらには既存のナノ粒子触媒では不可能であった全く新しい電気化学反応を開拓します。