科學研究 - 開發高性能觸媒解決塑膠廢棄物問題，實施環境友好型「化學回收」

近年來，以實施SDGs（聯合國永續發展目標）和Circular Economy（循環經濟）爲背景的塑膠廢棄物處理問題，有關塑膠分解再利用的研究變得越來越重要。對此，東京都立大學研究生院理學研究科的野村琴廣教授正嘗試透過使用獨特的高性能觸媒，來確立低環境負荷的化學回收方法。

野村琴廣
東京都立大學研究生院理學研究科教授
2020年起擔任 e-ASIA JRP研究代表，2021年起擔任CREST研究代表

目前的問題是質量和成本
用鈣和鈦開闢新道路

將使用過的塑膠變回原料的「化學回收」技術作爲解決塑膠廢棄物問題的技術而備受期待。然而，目前利用這種方法的回收比例僅佔塑膠廢棄物整體的3%左右。例如，爲了對PET瓶進行化學回收，就需要在高溫下使用大量的酸、鹼材料以及添加劑，同時還存在反應後回收目標材料和廢水處理的問題，以及聚合體原料以外的副產物化合物的分離和純化等問題。

東京都立大學研究生院理學研究科野村琴廣教授表示：「現狀是再生品的品質和成本都存在問題，直接從石油製造更加便宜」。野村教授在JST CREST「功能整合型生物基聚合體的創制、分解、化學回收」的課題研究中，開發出了將聚酯和醇類混合後加熱，便能將聚酯分解爲原料的高性能氧化鈣觸媒和鈦錯合物觸媒。研究團隊中的東京農工大學工學研究院應用化學部門平野雅文教授也在開發其他觸媒。

這項研究其實誕生於由野村教授擔任研究代表的SICORP（e-ASIA JRP）「以催化效率形成碳—碳鍵的植物油聚合物功能材料開發」研究課題，當時開發出了能透過非食用植物油合成出清潔劑以及聚合體原料等高附加值精緻化學品的兩種觸媒，現在的研究就是在這兩種觸媒的基礎上所做的進一步擴展。野村教授介紹說，「當時的想法很簡單，就是想嘗試把用於由植物油合成聚合物的酯交換反應的觸媒，應用到同樣爲酯交換反應的聚合體分解反應上會得到怎樣的結果。」該研究進展得相當順利，JST CREST起動不到一年，就發佈了上述研究成果。

氧化鈣和鈦錯合物作爲觸媒有其優點。氧化鈣是一種易於獲得且價格低廉的市售觸媒，工業應用成果很豐富。鈦錯合物也容易獲得且催化性能優異。將聚酯和醇類混合加熱，再去除醇，就能百分之百地回收原料。由於簡單高效，所以很有可能構建出對環境負荷較低的工藝。

另外，作爲酯交換反應觸媒的鈦錯合物在分解反應後繼續操作存在，所以在真空狀態下去除醇的同時讓其參與反應，曾經被分解成原料的聚酯就能夠再次聚合成聚酯。也就是說，可以在不改變觸媒的情況下將廢塑膠轉化爲新塑膠（圖1、2）。該方法還有望廣泛應用於用植物油生成聚合體原料，合成各種精密化學產品，將塑膠廢棄物轉換成高附加值化學產品等。

圖1 本研究中的「化學回收」目標和構思
本研究旨在利用植物油中大量含有的脂肪酸酯合成高附加值化學品，以及開發出將塑膠透過化學回收形成原料的高性能觸媒。

圖2 聚合體的分解反應
左爲在市售的PET瓶片和乙醇中加入鈦觸媒後的狀態。右爲反應後的狀態，可以看到對苯二甲酸二乙酯原料形成的白色沉澱。由此可以實施定量回收聚合體原料。

以在企業和美國獲得的經驗爲基礎
帶着獨創性意識進行研究

野村教授最早開始從事分子催化化學的研究是在碩士階段。「碩士畢業後，我進入了住友化學有機合成研究所，從事開發用於精細化學合成的觸媒，將研究成果寫成論文，獲得了博士學位。在此期間，我先後擔任了從探索觸媒到工廠實用化的一系列工作。這可能是與該領域其他老師完全不同的經歷。」

之後，野村教授前往美國麻省理工學院（MIT）留學，在諾貝爾化學獎獲得者理查德·施羅克教授的研究室裏，與衆多目前仍活躍在歐美的研究人員一起從事研究工作。在企業和美國工作與研究10年的經驗，以及與研究人員的相識，爲野村教授的研究生活奠定了基礎。野村教授回國後進入到石油化學產品的研究所，從事乙烯等聚烯觸媒的實用化研究以及與觸媒探索相關的工作。

野村教授於1998年到奈良先端科學技術大學院大學就職。從那時起，他就已經明確了自己作爲研究人員的隊形變換道路。野村教授表示，「當時自己就已經明確意識到，今後要走科研道路的話，就必鬚根據自己的設想設計與合成出獨創性高的觸媒，搞出不使用這種觸媒就無法進行的研究來」。正如本次研究被採納的理由那樣，野村教授開始了「開闢獨創的精密合成技術，利用其特點開發新材料」的研究。

爲此，野村教授將「設計和開發獨自的高性能觸媒」作爲自己的研究主線，先後開發出了鈦和釩鈮分子觸媒。雖然研究花費了很長時間，但野村教授發現了很多不使用這些觸媒就無法實施的化學反應。野村教授的這種研究態度和諸多成果受到了高度評價，先後於1996年獲得了日本化學會技術進步獎，2001年日本催化學會學會獎的技術部門獎，2019年又獲得了日本催化學會學會獎的學術部門獎。

2015年在美國波士頓舉辦的研究室OB會照片。前排右一是野村教授，前排左二是施羅克教授。

被泰國和菲律賓共同採納
嘗試應用非食用植物油

野村教授從2010年開始擔任首都大學東京（現東京都立大學）教授。他的研究室與泰國朱拉隆功大學、瑪希隆大學和泰國國立法政大學聯繫密切，迄今爲止，已經招收了多名泰國留學生，並發表了諸多合著論文。雙方還共同策劃並舉辦了在曼谷召開的國際會議。合作研究期間，經泰國方面的介紹，又聯合了菲律賓的馬尼拉雅典耀大學，以利用非食用植物油透過催化反應合成大分子功能材料爲研究課題，向e-ASIA JRP提交了科研申請，並獲得了採納。

在e-ASIA JRP課題中，三方共同開發了利用非食用植物油高效合成化學品的觸媒，日本負責生物基聚合體的合成，泰國和菲律賓負責生物基聚合體的功能評估。之後，野村教授又將e-ASIA JRP的成果之一：酯交換反應的觸媒應用於 CREST的課題中，並取得了分解塑膠方面的成果。

CREST 的主要目標是開發來自植物資源的高性能聚酯並進行化學回收。野村教授對此說明道「分解是 e-ASIA JRP課題中就研究過的酯交換反應，研究初期就考慮到了解決現存的問題，並嘗試開發了可分解市售聚酯的高性能觸媒。」（圖3）。目前世界各地也在致力於利用不與食用作物發生競爭的非食用性植物油和植物成分製造出可分解和回收的聚合物功能材料。「與將植物資源擴展到噴射機燃料等領域的研究相比，研究將其擴展到聚合體領域的研究人員在日本並不多」，野村教授說出了研究的關鍵。

圖3 CREST的研究概要

發揮多種功能
提出材料開發的可能性

現在，野村教授除了開發精密合成的方法，還在進行功能開發方面的研究。研究契機來自e-ASIA JRP的國際共同研究。在泰國的實驗室對合成的聚合體進行功能評估後，發現它可以作爲檢測氨和乙烯等的感測器（圖4）。以此爲契機，泰國方面正在推進研究，將其作爲食品包裝薄膜，用於食品容器的鮮度感測器。

圖4 具有感測器功能的聚合體複材(由聚丁二炔和生物基聚酯構成)
透過驗證將聚丁二炔（PDA）作爲官能基合成的聚合體，發現這種聚合體具有檢測出導致食物腐爛和催熟的氨和乙烯的感測器功能。

菲律賓的研究人員發現，由合成的糖鏈聚合體及聚葡萄胺糖製成的複合薄膜具有捕捉水中汞成分的效果，爲此正在開發水質淨化連串裝置膜。野村教授強調了國際共同研究的重要性：「這種實用性想法是僅憑日本團隊無法產生的。我相信這正是國際共同研究取得的成果」。

然而，與東南亞各國的共同研究並非所有都一帆風順。因爲2019年發生的新冠疫情擴大，各地城市紛紛靜默，「即使將樣品送往海外，大學也因爲封校，只能改爲將樣品送到海外合作研究人員的家中等方式來因應。原本計劃讓海外的學生來日本，邊交流邊進行研究，結果也被推遲了」野村教授回顧道。

另一方面，也有充分利用新冠疫情特有的機會和交流工具的事例。「只要確定了研究方針，並在研究團隊之間進行共用，透過網路會議就可以充分溝通彼此的見解了。以前有很多距離和時間上的侷限，現在線上就可以參加各種學術會議和國際會議了」。此外，隨着研究人員可自由支配時間的增加，還能夠學習更多與研究相關的廣泛領域的知識。

加長聚合體鏈
跨越實用化壁壘

作爲推進項目還存在的課題之一，野村教授舉出瞭如何實施聚合體的進一步聚合物化的問題。「我們的研究着眼於合成方法和觸媒。如果要將合成的聚合體作爲實際材料使用，還需要加長聚合體鏈」。針對這一課題，研究人員將目光落在了由植物油和葡萄糖誘導的各種單體烯烴複分解反應聚合上。

致力於開發合成大分子量聚合體方法的結果，研究團隊得到了比通用的聚乙烯具有更好的拉伸強度和斷裂伸長性的材料（圖5）。該成果是與團隊内大阪產業技術研究所的平野寬先生共同研究得出的成果，併成爲推進可分解再利用生物基高性能材料研究方面的重要基礎技術。

圖5生物基聚酯的機械性能
研究合成的生物基聚酯的機械性能與通用的材料的比較(左)。可見拉伸特性具有顯著的分子量效果。製備的薄膜照片(右上)和掃描電子顯微鏡（SEM）影像(右下)。

與此課題同時推進的還有獨立開發的釩、鈮的錯合物觸媒研究。野村教授展望道：「與其他觸媒相比，這種觸媒在活性、耐熱性、選擇性控制等方面的有效性已得到證實，但還有許多地方需改進。未來，期望能夠獨創性觸媒的開發、材料開發等相互連接在一起，以取得更好的成果」。

這一領域的觸媒開發研究，在歐美等海外也有很多研究人員，野村教授希望能更加積極地推進國際共同研究。另外，海外已經有不少觸媒實用化的例子，但在日本國内還很難跨越實用化的壁壘。野村教授希望透過在所積累的經驗基礎上，疊加更廣泛領域的知識與智慧，以便跨越這一壁壘。（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：石原秀樹）