(57)【要約】  常圧環境下において安定した貯蔵・輸送が可能であり、取り扱い性が容易で、かつ、繰り返し利用性の優れた水素担体と、該水素担体を用いる水素発生方法とを提供する。該水素担体は、水素貯蔵部を有機ポリマーの主鎖および／又は側鎖に含み、該水素貯蔵部は、触媒存在下で水素分子を発生するとともに酸化還元活性部になり、該酸化還元活性部は、還元と、プロトン源への接触とにより、水素を貯蔵して前記水素貯蔵部になる。前記水素発生方法は、水素担体を用意する第１の工程と、該水素担体に前記触媒を接触させることにより水素を発生させる第２の工程とを含む。
2015005280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素貯蔵部を有機ポリマーの主鎖および／又は側鎖に含み、
該水素貯蔵部は、触媒存在下で水素分子を発生するとともに酸化還元活性部になり、
該酸化還元活性部は、還元と、プロトン源への接触とにより、水素を貯蔵して前記水素貯蔵部になる、水素担体。
【請求項２】
前記水素貯蔵部は、水素および炭素と単結合したヘテロ原子を少なくとも１個含み、前記酸化還元活性部は、前記水素貯蔵部の官能基の水素が脱離するとともに、前記ヘテロ原子と前記炭素原子との結合が単結合から二重結合になる、請求項１に記載の水素担体。
【請求項３】
前記ヘテロ原子は酸素である、請求項２に記載の水素担体。
【請求項４】
前記水素貯蔵部はヒドロキノイド構造を含む、請求項３に記載の水素担体。
【請求項５】
前記ヒドロキノイド構造は、ベンゾキノール、ナフトキノールおよびアントラキノールからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物から誘導される、請求項４に記載の水素担体。
【請求項６】
前記水素貯蔵部はフルオレノールから誘導される官能基を含む、請求項３に記載の水素担体。
【請求項７】
前記有機ポリマーは、ポリビニルアルコール又は変性ポリビニルアルコールの誘導体である、請求項３に記載の水素担体。
【請求項８】
前記有機ポリマーは、エチレン、スチレン、ノルボルネン、アリルアミン、メタクリル酸およびアクリル酸のうち少なくとも１種の化合物に由来する官能基と、フェニレンメチレン、フェニレンエーテルおよびフェニレンエステルのうち少なくとも１種の官能基とからなる群から選択される、少なくとも１種の官能基を繰り返し単位に含む、請求項１〜６いずれか１項に記載の水素担体。
【請求項９】
前記触媒は、鉄、銅、バナジウム、コバルト、オスミウム、ロジウム、マンガン、ニッケル、イリジウム、白金およびパラジウムからなる群から選択される少なくとも１種類の元素を中心金属とする金属錯体である、請求項１〜８いずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１０】
前記金属錯体の配位子は、ジアミン、ｏ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ヒドロキシピリジン、ビスヒドロキシピリジン、アセチルアセトン、ポルフィリン、シッフ塩基、トリフェニルホスフィン、シクロペンタジエンおよびペンタメチルシクロペンタジエンからなる群から選択される少なくとも１種類の化合物を含む、請求項９に記載の水素担体。
【請求項１１】
前記プロトン源は水を含む、請求項１〜１０いずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１２】
前記有機ポリマーは成形可能である、請求項１〜１１いずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１３】
導電助剤を含む、請求項１２に記載の水素担体。
【請求項１４】
多孔質体である、請求項１２又は１３いずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１５】
請求項１〜１４いずれか１項に記載の水素担体を用意する第１の工程と、
該水素担体に前記触媒を接触させることにより水素を発生させる第２の工程とを含む、水素発生方法。
【請求項１６】
第２の工程の後に、前記水素担体に水素を付加する第３の工程を含み、第２の工程と、第３の工程とを少なくとも１回繰り返し実施する、請求項１５に記載の水素発生方法。
【請求項１７】
前記第３の工程は、還元した後にプロトン源への接触をする工程か、前記還元とプロトン源への接触とを同時に実施する工程かである、請求項１６に記載の水素発生方法。
【請求項１８】
前記還元は前記水素担体を電気分解することにより実施される、請求項１７に記載の水素発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可逆的な水素の貯蔵と、輸送とが可能な水素担体と、該水素担体を用いる、繰り返し可能な水素発生方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
持続可能な水素エネルギー社会の実現には、水素担体の創出が鍵となっている。安定性に優れ、かつ、高効率に水素を発生可能な水素キャリアの創出は、再生可能エネルギーの普及促進の観点からも有用であり、我が国のエネルギー安全保障に関わる重要課題である。【０００３】
従来より、水素吸蔵合金等の金属、炭素系水素吸蔵材料、アンモニア、有機ハイドライド、有機金属構造体（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ  ：以下、「ＭＯＦ」という。）などの水素担体が検討されている。水素担体には、水素貯蔵密度が高いこと、吸蔵−放出サイクルでのエネルギー消費が小さくエネルギー効率が高いこと、通常の環境条件での水素の出し入れが可能なこと、繰り返し利用性に優れること、設備コスト、ランニングコストが低いこと、安全で取り扱い性に優れること等の特性が求められている。【０００４】
マグネシウムやチタン等を含む合金に水素を吸着させて水素化物とした水素吸蔵合金は、コンパクトな担体であるが、質量水素密度が低く重い点、また、水との接触により爆発しやすく安全性に問題がある（特許文献１〜２）。【０００５】
また、カーボンナノチューブやグラファイトナノファイバー等のナノ構造を持つ炭素系物質は、高い水素吸蔵特性を有する材料として注目されているが、水素貯蔵密度が低く、また安定した特性を得ることが難しい。【０００６】
また、ＭＯＦや多孔質炭素材料等の多孔質体に水素を吸着させてなる水素担体は、多孔質の孔表面に水素を吸着させることにより、高い水素貯蔵密度にて水素を吸蔵可能としているが、安定した吸蔵には高圧下において吸着させる必要がある（特許文献３、特許文献４、非特許文献１）。【０００７】
現在、文部科学省の先端的低炭素化技術開発（ＡＬＣＡ）事業において、水素貯蔵・輸送材料の有力候補として、アンモニアと有機ハイドライドが挙げられており、主に、水素貯蔵密度を尺度とした分子設計や、効率的変換を担う発生プロセス技術の研究開発が進められている。【０００８】
アンモニアは、水素含有率が比較的高く、液化が容易であることから水素担体として注目されているが、水素発生には適当な触媒存在下での高温加熱が必要である（特許文献５等）。また、メチルシクロヘキサンやデカリンなどを中心とした有機ハイドライドは、常圧下において貯蔵・輸送が可能であり、触媒プロセスや装置設計まで含めた反応工学的な検討が先行して進められている（特許文献６、特許文献７等）。非特許文献２〜４では、ハイドロキノンやアルコールの酸化的脱水素による水素発生が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−９５１７２号公報
【特許文献２】特開２００９−３０１２５号公報
【特許文献３】特開２０１１−１３１１２０号公報
【特許文献４】特開２００３−２２５５６３号公報
【特許文献５】特開２００３−５４９０８号公報
【特許文献６】特開２００３−２９９９５８号公報
【特許文献７】特開２０１２−１２６６０６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｊ．  Ｇｅｒｍａｉｎ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ：  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  ２００７，  ９７，  ｐ．２７２−２７３．
【非特許文献２】Ｒ．  Ｈ．  Ｃｒａｂｔｒｅｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  ２０１１，  １３３，  ｐ．７５４７−７５６２
【非特許文献３】Ｍ．  Ｋａｔｏ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  ２０１３，  １３５，  ｐ．８６４６−８６５４．
【非特許文献４】Ｒ．  Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ  Ｃｈｅｍｉｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，  ２０１２，  １２４，  ｐ．１２９６２−１２９６６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、アンモニアは毒性が強く、高濃度では人体に悪影響を与えるという問題がある。また、貯蔵・輸送を加圧環境下とすることが必須であるため、安全性の点でも不安がある。【００１２】
また、有機ハイドライドは、揮発性の高い液体であることが多く、輸送にはタンクローリーやタンカー、パイプライン等が必要である。また、繰り返し利用を考えた場合、水素化を電気分解等の容易なプロセスで実施することは難しい。【００１３】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、常圧環境下において安定した貯蔵・輸送が可能であり、取り扱い性が容易で、かつ、繰り返し利用性の優れた水素担体を提供することを目的とするものである。【００１４】
本発明はまた、常圧環境下における容易なプロセスにて水素発生が可能な水素発生方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は水素担体を提供する。本発明の水素担体は、水素貯蔵部を有機ポリマーの主鎖および／又は側鎖に含み、該水素貯蔵部は、触媒存在下で水素を発生するとともに酸化還元活性部になり、該酸化還元活性部は、還元と、プロトン源への接触とにより、水素を貯蔵して前記水素貯蔵部になる。【００１６】
本発明は水素発生方法を提供する。本発明の水素発生方法は、本発明の水素担体を用意する第１の工程と、この水素担体に触媒を接触させることにより水素を発生させる第２の工程とを含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水素担体は、常圧環境下において安定した貯蔵・輸送ができ、触媒に接触させるだけの容易なプロセスによる水素発生と、電気分解という容易なプロセスによる水素貯蔵とが可能である。また本発明の水素担体は、水素発生と水素貯蔵とを繰り返して利用することができる。従って、本発明によれば、常圧環境下において安定した貯蔵・輸送ができ、取り扱い性が容易で、毒性も無く、かつ、繰り返し利用性の優れた水素担体を提供することができる。また、本発明の水素担体によれば、常圧環境下における容易なプロセスにて繰り返し水素発生が可能な水素発生方法を提供することができる。【００１８】
本明細書において言及される全ての文献はその全体が引用により本明細書に取り込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の水素担体を用いた水素発生プロセスを示す模式図。
【図２】ヒドロキノイド構造としてｐ−ベンゾキノールを用いた場合の水素付加・発生プロセスを示す模式図。
【図３】水素貯蔵部として９−フルオレノールを用いた場合の水素付加・発生プロセスを示す模式図。
【図４】本発明に係る一実施形態の水素担体の斜視図およびその内部構造のＳＥＭ像を示す図。
【図５】本発明の水素担体を用いた水素発生装置の一例を示す概略模式図。
【図６】９−フルオレノン溶液のサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）測定結果を示す図。
【図７】９−フルオレノール溶液のＣＶ測定結果を示す図。
【図８】実施例２において、９−フルオレノン溶液に水を過剰に加えて還元した溶液のＣＶ測定結果を示す図。
【図９】９−フルオレノン溶液、９−フルオレノール溶液，電解還元後の９−フルオレノン溶液の紫外可視吸収（ＵＶ）スペクトルを示す図。
【図１０】９−フルオレノールと鉄錯体触媒混合溶液に白色光を照射した後の容器内の気体成分のガスクロマトグラフィー測定結果を示す図。
【図１１】ポリ（２−ビニルフルオレノン）溶液、電解還元後のポリ（２−ビニルフルオレノン）溶液のＵＶスペクトルを示す図。
【図１２】実施例８および実施例９において、反応容器内の気体のガスクロマトグラフィーによる気体分析結果に基づいた水素発生収率の経時変化を示す図。
【図１３】実施例１０において、反応容器内の気体のガスクロマトグラフィーによる気体分析結果に基づいた水素発生収率の経時変化を示す図。
【図１４】実施例１１において、反応容器内の気体のガスクロマトグラフィーによる気体分析結果に基づいた水素発生収率の経時変化を示す図。
【図１５】実施例１１における反応容器内の液体のＩＲスペクトルの変化を示す図。
【図１６】実施例１２において、反応容器内の気体のガスクロマトグラフィー分析結果（クロマトグラム）を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者らは、酸化還元活性を有するキノイド類の可逆的かつ速い電子授受、および、酸化・還元の両状態における安定な電荷貯蔵性に着目し、キノイド類の還元体に水素付加することによって得られるヒドロキノイド類が、繰り返し利用可能であり、かつ、安定性の高い水素貯蔵部となりうると着想した。キノイド類およびヒドロキノイド類は、どちらの状態においても非常に化学的安定性が高いが、ヒドロキノイド類の脱水素反応は、触媒に接触（触媒液に浸漬）するだけの容易な方法で進行する。
【００２１】
本発明の水素担体について図面を参照して説明する。図１は、本発明の水素担体を用いた水素発生プロセスを示す模式図、図２は、水素貯蔵部として、ヒドロキノイド構造（ｐ−ベンゾキノール）を用いた場合の水素発生プロセスを示す模式図、図３は、水素貯蔵部としてフルオレノールを用いた場合の水素発生プロセスを示す模式図、図４は、本実施形態の水素担体の斜視図およびその内部構造のＳＥＭ像である。図５は、水素担体１を用いた水素発生装置の一例の概略図である。本明細書の図面において、視認しやすくするために、各部の縮尺は適宜変更して示される。
【００２２】
本発明において、水素担体は水素貯蔵部を含む物質をいい、該水素貯蔵部は、酸化反応により水素を発生するとともに、酸化還元活性部に変換され、該酸化還元活性部は、還元と、プロトン源への接触とにより、水素を貯蔵して、水素貯蔵部に変換される。本発明の水素担体において、「該水素貯蔵部は、触媒存在下で水素を発生するとともに酸化還元活性部となる」とは、前記水素貯蔵部は、本発明の水素担体が触媒と接触することにより水素を脱離する結果として、酸化還元活性部となることを意味する。また、本発明の水素担体において、「該酸化還元活性部は、還元およびプロトン源との接触により、水素を貯蔵して、水素貯蔵部に変換される」とは、還元に続いてプロトン源との接触を実施する態様および、還元とプロトン源との接触とを同時に実施する態様の両方の意味を含む。
【００２３】
本発明の水素担体において、前記水素貯蔵部は、水素および炭素と単結合したヘテロ原子を少なくとも１つ含み、前記酸化還元活性部は、前記水素貯蔵部の官能基の水素が脱離するとともに、前記ヘテロ原子と前記炭素原子との結合が単結合から二重結合になる場合がある。本発明の水素担体の水素貯蔵部および酸化還元活性部は、前者が前記ヘテロ原子と前記炭素原子との単結合を含むのに対し、後者では前記ヘテロ原子と前記炭素原子との結合が二重結合になる点のみが異なる官能基をいう。前記酸化還元活性部の例は、キノン、キノイドイミン、イミド、ケトン、チオケトン等の化合物から誘導される官能基を含むが、これらに限定されない。前記酸化還元活性部は、キノン、キノイドイミン、イミド、ケトンおよびチオケトンからなる群から選択される少なくとも１つの化合物から誘導される官能基の場合がある。
【００２４】
本発明の水素担体において、前記水素貯蔵部はヒドロキノイド構造を有する官能基を含む場合がある。前記ヒドロキノイド構造を有する官能基の例は、ベンゾキノール（ヒドロキノン）、ナフトキノール、アントラキノール等の化合物から誘導される官能基を含むが、これらに限定されない。前記ヒドロキノイド構造を有する官能基は、ベンゾキノール（ヒドロキノン）、ナフトキノールおよびアントラキノールから選択される少なくとも１種類の化合物から誘導される官能基の場合がある。前記水素貯蔵部はフルオレノールから誘導される官能基を含む場合がある。前記有機ポリマーは、ポリビニルアルコール又は変性ポリビニルアルコールの誘導体であるを含む場合がある。前記有機ポリマーは、エチレン、スチレン、ノルボルネン、アリルアミン、メタクリル酸およびアクリル酸のうち少なくとも１種の化合物に由来する官能基と、フェニレンメチレン、フェニレンエーテルおよびフェニレンエステルのうち少なくとも１種の官能基とからなる群から選択される、少なくとも１種の官能基を繰り返し単位に含む場合がある。
【００２５】
前記水素貯蔵部は、有機ポリマーの繰り返し単位内に主鎖および／又は側鎖として結合される場合がある。
【００２６】
本発明の水素担体において、水素貯蔵部に含まれるヘテロ原子は、酸素、窒素および／又はイオウ原子である。前記ヘテロ原子は酸素の場合がある。
【００２７】
前記水素貯蔵部は、以下の反応式１−３のいずれかの左辺で表される水素付加体の化合物から誘導される官能基の場合がある。これらはそれぞれ水素を脱離して、反応式の右辺で表される水素脱離体の化合物から誘導される官能基（酸化還元活性部）と、分子状の水素（Ｈ２）とを生成する。
【００２８】
反応式１の水素貯蔵部および酸化還元活性部は、ｐ−ヒドロキノイド構造を有する。反応式の水素貯蔵部および酸化還元活性部は、ｏ−ヒドロキノイド構造を有する。反応式３の水素貯蔵部および酸化還元活性部は、２級アルコールの誘導体である。
【００２９】
反応式１〜３において、−ＸＨおよび−ＹＨは、−ＯＨ，−ＮＲＨ，−ＳＨ，−ＣＲ２Ｈのいずれかであり、−ＮＲＨおよび−ＣＲ２ＨのＲは、Ｈ又はＣｎＨ２ｎ＋１（ｎは整数）のいずれかである。ただし、ＸおよびＹで表される原子の少なくとも１つはヘテロ原子（Ｏ，Ｎ，Ｓ）であることが好ましい。
【００３０】
また反応式１および２において、−Ｒ１、−Ｒ２、−Ｒ３、−Ｒ４は、−Ｈ，−ＣＨ３，−ＣＨ＝，−Ｎ＝Ｚ，−Ｏ−Ｚ，−Ｓ−Ｚのいずれかである（Ｚは任意の原子である。）。反応式３において、＝Ｒ２、＝Ｒ３は、＝ＣＨ２，＝ＣＨ−，＝ＮＲ，＝Ｏ，＝Ｓのいずれかであり、＝ＮＲのＲは、Ｈ又はＣｎＨ２ｎ＋１（ｎは整数）のいずれかである。
【化１】
2015005280.tif 000003
【化２】
2015005280.tif 000004
【化３】
2015005280.tif 000005
【００３１】
反応式３において、＝Ｒ６と＝Ｒ７がともに＝ＣＨ−で、かつ、＝Ｒ６と＝Ｒ７とが単結合で結合した化合物、すなわち、シクロペンタジエノール（水素付加体）又はシクロペンタジエノン（水素脱離体）の場合がある。反応式３の化合物は、Ｒ５およびＲ６を含む１つのベンゼン環と、Ｒ７およびＲ８を含む１つのベンゼン環とが、当該ペンタジエノールと縮合した、フルオレノール（水素付加体）又は当該ペンタジエノン縮合したフルオレノン（水素脱離体）の場合がある。
【００３２】
本発明の水素担体において、水素貯蔵部を主鎖および／又は側鎖に含む有機ポリマーは、以下の構造式１〜３で表わされる繰り返し単位の少なくとも１種類の組み合わせからなる場合がある。本明細書において、ポリマーの構造式は、括弧内に繰り返し単位の化学構造を、括弧の右下の添え字ｌ，ｍ，ｎは、繰り返し単位の反復数を表すものとする。ｌ，ｍ，ｎはいずれも１以上の整数である。構造式１〜３において、本発明の水素担体の水素貯蔵部の官能基はＡＨ２ｎ、酸化還元活性部の官能基はＡと表される場合がある。構造式１のＢは、エチレン、スチレン、ノルボルネン、アリルアミン、メタクリル酸およびアクリル酸のうち少なくとも１種の化合物に由来する官能基の場合がある。また、構造式２および３のＤとＥは、メチレン、エーテル、エステル、からなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物に由来する官能基と、フェニレンメチレン、フェニレンエーテルおよびフェニレンエステルのうち少なくとも１種の官能基とからなる群から選択される、少なくとも１種の官能基の場合がある。
【化４】
2015005280.tif 000006
【化５】
2015005280.tif 000007
【化６】
2015005280.tif 000008
【００３３】
前記水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含むポリマーは、汎用性の高いポリマーおよび/又は既存のポリマーの場合がある。前記水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含むポリマーが汎用性の高いポリマーおよび/又は既存のポリマーである例は、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルアルコールおよび変性ポリビニルアルコールを含むが、これらに限定されない。前記水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含むポリマーは、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリビニルアルコールおよび変性ポリビニルアルコールからなる群から選択される少なくとも１種類のポリマーか、これらの混合物か、これらのポリマーの繰り返し構造を含む共重合体かの場合がある。かかるポリマーは、高密度に水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含むポリマーであるから好ましい。フェノール樹脂およびメラミン樹脂の例は、以下の構造式４および５に示すポリマーを含む。
【化７】
2015005280.tif 000009
【化８】
2015005280.tif 000010
【００３４】
汎用性の高いポリマーや既存のポリマーであっても、前記水素貯蔵部ＡＨ２ｎの構造を含むポリマーが水素担体となりうることはこれまでに示唆さえされたことはない。従って、有機ポリマーの主鎖又は側鎖に水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含む水素担体は、構造上フェノール樹脂やメラミン樹脂、ポリビニルアルコール等の汎用ポリマーと同じであっても新規である。
【００３５】
本発明の水素担体において、触媒は、鉄、銅、バナジウム、コバルト、オスミウム、ロジウム、マンガン、ニッケル、イリジウム、ルテニウム、白金、パラジウム等を含むが、これらに限定されない金属を中心金属とする金属錯体である。前記触媒は、鉄、銅、バナジウム、コバルト、オスミウム、ロジウム、マンガン、ニッケル、イリジウム、ルテニウム、白金およびパラジウムからなる群から選択される少なくとも１種類の元素を中心金属とする金属錯体の場合がある。かかる金属錯体の配位子は、ジアミン、ｏ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ヒドロキシピリジン、ビスヒドロキシピリジン、アセチルアセトン、ポルフィリン、シッフ塩基、トリフェニルホスフィン、シクロペンタジエン、ペンタメチルシクロペンタジエン等の化合物を含むが、これらに限定されない。前記金属錯体の配位子は、ジアミン、ｏ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ヒドロキシピリジン、ビスヒドロキシピリジン、アセチルアセトン、ポルフィリン、シッフ塩基、トリフェニルホスフィン、シクロペンタジエンおよびペンタメチルシクロペンタジエンからなる群から選択される少なくとも１種類の化合物の場合がある。鉄、ルテニウム、イリジウムを中心金属として用いた錯体による二級アルコールの酸化による水素発生については、”T.C.Johnson et al, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 81”に報告されている。
【００３６】
金属錯体触媒の例は、ｏ−フェニレンジアミンを配位子とする鉄錯体、ビスヒドロキシピリジンやペンタメチルシクロペンタジエニル等を配位子とするイリジウム錯体、ジアミンを配位子として含むルテニウム錯体を含むが、これらに限定されない。ｏ−フェニレンジアミンを配位子とする鉄錯体と、ビスヒドロキシピリジンやペンタメチルシクロペンタジエニル等を配位子とするイリジウム錯体（構造式７〜９）との例をそれぞれ構造式６と、構造式７〜９とに示す。
【化９】
2015005280.tif 000011
【化１０】
2015005280.tif 000012
【化１１】
2015005280.tif 000013
【化１２】
2015005280.tif 000014
【００３７】
前記触媒との接触反応によって、酸化的脱水素が起こり、水素発生が達成される。水素の発生は、常温で行なってもよいし、必要に応じて反応速度を高めるために光を照射してもよいし、加温してもよい。水素発生後の水素担体は、固体であれば、そのまま引き上げて水素付加してリサイクルすることができる。
【００３８】
水素担体が触媒溶液に溶けて水素を発生した場合は、有機ポリマーが難溶で触媒が易溶である溶媒中に反応溶液を滴下することによって、有機ポリマーのみを析出させ、ろ過・回収によって分別し、再利用することができる。
【００３９】
プロトン源は、水、アルコールおよびプロトン酸を含むが、これらに限定されない。プロトン源がアルコールの場合には、メタノール、エチルアルコール、ブチルアルコール、プロピルアルコールを含むが、これらに限定されない。プロトン源がプロトン酸の場合には、塩酸、硫酸を含むが、これらに限定されない。プロトン源は水の場合がある。
【００４０】
前記触媒との接触反応によって、酸化的脱水素が起こり、本発明の水素担体の水素貯蔵部から水素が脱離して、分子状の水素の発生が達成される。分子状の水素の発生は、常温で行なってもよいし、必要に応じて反応速度を高めるために光を照射してもよいし、加温してもよい。水素発生後の水素担体が触媒溶液に溶けない場合には、そのまま引き上げて水素付加して水素を貯蔵させ、繰り返し利用することができる。水素担体が触媒溶液に溶けて水素を発生する場合には、有機ポリマーは難溶だが触媒は易溶である溶媒を準備して、前記水素担体が溶けた反応溶液を前記溶媒中に滴下することによって、水素担体のみを析出させ、ろ過・回収によって分別し、再利用することができる。
【００４１】
本発明の水素担体は、成形可能な固体、すなわち、一定形状を保持する成形体の場合がある。貯蔵および運搬の際の取り扱いに便利なため、水素担体が成形体であることは好ましい。しかし水素担体は、粉末又は微粒子のような固体か、ゲル又は流動体かであってもよい。水素担体が成形体でない場合では、液体が浸透可能な容器に格納されると貯蔵および運搬の際の取り扱いに便利である。水素担体は、有機ポリマー中に導電助剤およびバインダーが分散されて添加されてなる態様の場合があり、多孔質体の場合がある。
【００４２】
図５は、水素担体１を用いた水素発生装置の一例の概略図を示す。水素発生装置１００は、例えば、触媒溶液を貯留してなる触媒貯留部２０と、水素発生槽１０への触媒溶液の導入を調節するバルブ３０と、発生した水素を溶剤と分離するトラップ４０とを含む。水素担体１を用いると、加圧機構のない安全性の高い装置構成にて、容易に水素を発生させることが可能となる。
【００４３】
本発明の水素担体は、水素を付加された状態で輸送されて、安定性良く貯蔵保管することができ、水素発生工程と水素付加工程とを繰り返し実施することができる。これらの繰り返しプロセスで必要なのは水素化に必要な電解装置と、水素発生に必要な錯体触媒のみであるため、極めて簡易なプロセスにより、効率の高い水素輸送・貯蔵形態を実現することができる。
【００４４】
本発明の水素担体は、有機ポリマーの主鎖又は側鎖に、触媒存在下で水素を発生するとともに酸化還元活性部Ａとなる水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含み、酸化還元活性部Ａは、還元およびプロトン源との接触により水素貯蔵部ＡＨ２ｎとなるものである。かかる構成の水素担体は、常圧環境下において安定した貯蔵・輸送ができ、触媒に接触させるだけの容易なプロセスでの水素発生が可能である。また、水素発生後に繰り返し利用するための水素化のプロセスにおいて、還元を容易な電気分解により実施することができる。従って、水素担体は、取り扱い性が容易、かつ、繰り返し利用性の優れた水素担体であり、常圧環境下において安定した貯蔵・輸送を可能にする。
【００４５】
図面を参照して本発明の水素発生方法について説明する。図１は、本発明の水素担体を用いた水素発生プロセスを示す模式図、図２は、水素貯蔵部として、ヒドロキノイド構造（ｐ−ベンゾキノール）を用いた場合の水素発生プロセスを示す模式図、図３は、水素貯蔵部としてフルオレノールを用いた場合の水素発生プロセスを示す模式図、図４は、本実施形態の水素担体の斜視図およびその内部構造のＳＥＭ像である。本明細書の図面において、視認しやすくするために、各部の縮尺は適宜変更して示してある。本明細書および図面において、本発明の水素担体の水素貯蔵部の官能基はＡＨ２ｎ、酸化還元活性部の官能基はＡと表される場合がある。
【００４６】
本実施形態の水素担体は、水素貯蔵部ＡＨ２ｎを有機ポリマーの主鎖および／又は側鎖に含み、該水素貯蔵部ＡＨ２ｎは、触媒存在下で水素を発生するとともに酸化還元活性部Ａになり、該酸化還元活性部Ａは、還元と、プロトン源への接触とにより、前記水素貯蔵部ＡＨ２ｎになる。
【００４７】
図１は、水素担体を用いた水素発生およびその可逆性による繰り返し利用について模式的に示した図である。図１ではポリマー部分を省略して、ポリマーの主鎖および/又は側鎖に含まれる水素貯蔵部ＡＨ２ｎと酸化還元活性部Ａのみを示す。図１には、水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含む水素担体に触媒を接触させることにより分子状の水素（Ｈ２）が発生し、水素貯蔵部ＡＨ２ｎが酸化還元活性部Ａとなり、電気分解等の還元処理により還元体Ａ２ｎ−となって、更にプロトン付加をすることにより、再び水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含む水素担体となることが示されている。
【００４８】
水素担体において、水素貯蔵部ＡＨ２ｎは、ヒドロキノイド構造を有する官能基を含む態様が好ましい。ヒドロキノイド構造としては、特に制限されず、ベンゾキノール、ナフトキノール、アントラキノール等が挙げられ、ベンゾキノール、ナフトキノール、アントラキノールからなる群より選ばれる少なくとも１種が好ましい。
【００４９】
水素担体は、前記ヒドロキノイド構造を有する官能基を、水素貯蔵部ＡＨ２ｎとして主鎖又は側鎖に含む有機ポリマーである場合があり、前記官能基を有機ポリマーの繰り返し単位内に含むことが、高密度に水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含むことからより好ましい。かかる観点で、有機ポリマーの繰り返し単位内に複数の水素貯蔵部ＡＨ２ｎを含む場合がある。
【００５０】
以下の化学式に、水素貯蔵部が、水素および炭素と結合したヘテロ原子を少なくとも１個含み、前記酸化還元活性部が、前記水素貯蔵部の官能基の水素が脱離するとともに、前記ヘテロ原子と前記炭素原子との結合が単結合から二重結合になる、本発明の水素担体の水素貯蔵部ＡＨ２ｎ-の構造式の例を以下に示す。
【化１３】
2015005280.tif 000015
前記構造式のうち右端の構造式で表される水素貯蔵部は、窒素原子を含むピペラジン骨格を有しており、高質量水素密度（４．９重量％）が達成可能な官能基として有望である。ここで、質量水素密度とは脱離する水素分子量を水素貯蔵部の全分子量で除算した値である。すなわち前記構造式の右端の構造式の化合物を例に挙げると、水素貯蔵部の分子量が１６２．１であるので８／１６２．１×１００＝４．９％と計算される。窒素原子を含むピペラジン骨格を有する構造をポリマーの主鎖として導入した場合の水素発生の反応式を以下の反応式４に示す。
【化１４】
2015005280.tif 000016
【００５１】
本発明の水素担体は、固体であってもよいし、ゲル状態にあってもよい。本発明の水素担体は、水素発生に用いる触媒溶液に溶けて液体となる態様であってもよいし、前記触媒溶液に溶けない固体の態様であってもよい。水素担体が成形体のときには貯蔵、および運搬時に取り扱い性が良いことから、本発明の水素担体は成形可能であることが好ましい。また、還元を電気分解により実施する場合には、本発明の水素担体が、整形可能な固体であって、導電助剤を含む態様であることが好ましい。導電助剤を添加することにより、水素担体のバルク抵抗を低減させ、高効率に還元を実施することができるからである。導電助剤の例は、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンブラック、気相成長カーボン等を含むか、これらに限定されない。本発明の水素担体は、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンブラックおよび気相成長カーボンからなる群から選択される少なくとも１種類の導電助剤を含む場合がある。本発明の水素担体は前記導電助剤が混練その他のやり方により分散されて添加されてなる態様の場合がある。
【００５２】
また、成形体である水素担体は、多孔質体であることが好ましい。多孔質体とすることにより、触媒と接触する水素担体の表面積が大きくなる、すなわち、水素付加および発生速度を大きくすることができるからである。図４は、多孔質体である水素担体１の態様を示す斜視図と、実施例１の内部構造のＳＥＭ像を示したものである。
【００５３】
本発明の水素担体の多孔質体は、まず、Ｎ−メチルピロリジノンなど少量の溶剤に所定量のポリフッ化ビニリデンを溶解させ、これを所定量の気相成長炭素繊維および、キノールポリマーと例えば乳鉢をもちいて混練し、減圧乾燥することにより得られる。
【００５４】
本発明の水素担体の多孔質体の作製方法は前記方法に限るものではない。多孔質体の空隙率は、２５％以上８０％以下の範囲であることが好ましく、嵩密度は、０．４ｇ／ｍＬ以上２．０ｇ/ｍＬ以下であることが好ましい。嵩密度はアルキメデス法により算出された。
【００５５】
本発明の水素発生方法は、本発明のいずれかの水素担体を用意する第１の工程と、該水素担体に前記触媒を接触させることにより水素を発生させる第２の工程とを含む。本発明の水素発生方法において、第２の工程の後に、前記水素担体に水素を付加する第３の工程を含み、第２の工程と、第３の工程とを繰り返し実施する場合がある。水素を付加する工程では、特に制限されないが、まず酸化還元活性部Ａを還元して還元体Ａ２ｎ−とした後、又はＡ２ｎ−とすると同時にプロトン付加して水素貯蔵部ＡＨ２ｎとすることが好ましい。
【００５６】
酸化還元活性部Ａを還元するやり方は特に制限されないが、酸化還元活性部Ａは、電気分解により容易に還元されて還元体Ａ２ｎ−とすることができる。電気分解（電解）により還元した後に水素付加を行う方法を電解水素化という。電気分解の方法の例は、酸化還元活性部Ａを有するポリマーを電解液中に浸漬し、電解還元することによって、酸化還元活性部Ａを還元し、電荷をポリマー内に貯めることを含むが、このやり方に限定されない。電解還元するときには、クロノポテンショメトリー、クロノアンペロメトリー、バルクエレクトロリシス法等を含むが、これらに限定されない技術を用いることができる。酸化還元活性部Ａはもともと電気的に中性（電荷を持たない）であったものが、当該電解還元によって負電荷を生じ、この負電荷が高い密度でポリマー内に蓄積される。前記電解液の成分の例は、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート、エチレンカーボネート／ジエチルカーボネートおよびエチレンカーボネート／ジメトキシエタンを含むが、これらに限定されない。前記電解液は、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート、エチレンカーボネート／ジエチルカーボネートおよびエチレンカーボネート／ジメトキシエタンからなる群から選択される少なくとも１種類の化合物を含む場合がある。
【００５７】
本発明の水素発生方法において、酸化還元活性部Ａを還元するやり方のうち、電気分解以外のやり方としては、水素と直接反応させて水添を行うやり方が挙げられる。その場合、必要に応じてインジウム、パラジウム、ニッケル等の触媒を用いることもできる。また、生物の酸化還元代謝酵素を用いることもできる。その場合には、水素担体の酸化還元活性部は、例えばＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨのような還元型補酵素で還元され、この反応の結果酸化されたＮＡＤ＋又はＮＡＤＰ＋のような酸化型補酵素は、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコース６リン酸デヒドロゲナーゼ等の酵素によりグルコース等で再還元される。
【００５８】
還元状態にある還元体Ａ２ｎ−は、塩基性度が増加しているため、この状態でプロトン源に接触すると直ちにプロトン付加が起こり、水素付加体を生じる。
プロトン源は、水、アルコール、プロトン酸等を含むが、これらに限定されない。プロトン源は、水、アルコールおよびプロトン酸からなる群から選択される少なくとも１種類を含む場合がある。プロトン源は、酸性又はアルカリ性の場合がある。プロトン源がｐＨ２以上８以下の場合がある。プロトン源に、希塩酸、希硫酸等を含む場合がある。これは、水素発生が早く進行するので好ましいからである。還元およびプロトン付加は常温で行なってもよいし、必要に応じて加温してもよい。
【００５９】
図５は、水素担体１を用いた水素発生装置の一例の概略図を示す。水素発生装置１００は、例えば、触媒溶液を貯留してなる触媒貯留部２０と、水素発生槽１０への触媒溶液の導入を調節するバルブ３０と、発生した水素を溶剤と分離するトラップ４０とを含む。水素担体１によれば、このような、加圧機構のない安全性の高い装置構成にて、容易に水素を発生させることが可能となる。
【００６０】
本発明の水素担体を用いるとき、本発明のいずれかの水素担体を用意する第１の工程と、この水素担体に触媒を接触させることにより水素を発生させる第２の工程とにより、取り扱い性良く、かつ、容易に水素を発生させることができる。本発明の水素発生方法において、第２の工程の後に、前記水素担体に水素を付加する第３の工程を含み、第２の工程と、第３の工程とを繰り返し実施する場合がある。水素担体において、酸化工程（第２の工程）と還元工程（第３の工程）とが可逆性を有しているので、第２の工程と第３の工程とを繰り返し実施することができる。
【００６１】
以上述べたように、本発明は、固体高分子型有機エネルギー担体を初めて提案しその具体化への道筋を示したものであり、今後幅広い普及を目指して候補物質の多様化が必要となる水素担体の新次元を開拓したものである。
【００６２】
以下に説明する本発明の実施例は例示のみを目的とし、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。本発明の趣旨を逸脱しないことを条件として、本発明の変更、例えば、本発明の構成要件の追加、削除および置換を行うことができる。
【実施例】
【００６３】
（実施例１）
ｐ−ヒドロキノイド誘導体を水素貯蔵部とする樹脂として、ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂からなる水素担体を製造した。【００６４】
（１）ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂の合成
まず、以下の反応式５に基づいて、ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂を合成した。【００６５】
５０ｍＬのナスフラスコ中に、ｐ−ヒドロキノン３．４ｇと、ホルムアルデヒド溶液（３７体積％）０．８３ｍＬと、エタノール５ｍＬと、水酸化ナトリウム０．１７ｇとを加え、撹拌しながら８０℃で４時間反応させた。反応終了後、室温まで自然冷却させ、ｐＨ７となるまで塩酸（０．１Ｍ）を滴下した。エバポレーターにより溶媒を除去、ヘキサンへの沈澱精製、遠心分離による回収、ソックスレーによる精製を経て茶褐色のｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂２．９ｇを得た。
【化１５】
2015005280.tif 000017
【００６６】
得られたｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂の元素分析、およびゲルパーミエ−ションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）による分子量の測定結果を以下に示す。
元素分析  （ｆｏｕｎｄ）  Ｃ：６８．５％，Ｈ：５．６％，Ｎ：０．０％
（ｃａｌｃｄ）  Ｃ：６８．３％，Ｈ：５．７％，Ｎ：０．０％
ＧＰＣ  ：  Ｍｗ＝８．２×１０３，Ｍｗ／Ｍｎ＝１．１【００６７】
（２）ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂からの水素発生
得られたｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂について、Ｆｅ（ＩＩ）フェニレンジアミン錯体触媒を用いて水素発生を試みた。【００６８】
１００ｍＬナスフラスコに撹拌子、モレキュラーシーブ２．５ｇを加え、フラスコ内を窒素雰囲気下にした。テトラヒドロフラン２０ｍＬを前記ナスフラスコへ加えた後、過塩素酸鉄（ＩＩ）・六水和物２８９ｍｇ、ｏ−フェニレンジアミン２５９ｍｇ加え、セプタムラバーによる封止を行い、３０秒間撹拌した。その溶液は白濁溶液となった。【００６９】
一方で、他の５０ｍＬナスフラスコに、ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂２．８ｇを加え、窒素雰囲気下にした後、テトラヒドロフラン２０ｍＬを加えて、セプタムラバーにより封止した。【００７０】
調製したｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂のテトラヒドロフラン溶液２０ｍＬをシリンジで吸い取り、３０秒間撹拌した前記試料溶液へ加えた。【００７１】
以上のように調整した溶液に、白色光を照射したところ、気体が発生したので、ガスクロマトグラフィー分析装置（ＳＨＩＭＡＤＺＵ  ＧＣ−８ＡＩＴ）により分析し、水素発生を定量した。【００７２】
ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂を加えることによって、加えていない場合に比べて水素の発生量が著しく増加したことから、ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂から水素が発生していることが確認された。【００７３】
（３）電解水素化による水素付加
水素を発生して水素貯蔵部が酸化還元活性部となったｐ−キノン型フェノール樹脂を水素担体として再利用可能であるかどうか調べるために、ｐ−キノン型フェノール樹脂の電解水素化による水素付加を試みた。【００７４】
まず、Ｎ−メチルピロリジノン４．５ｇにポリフッ化ビニリデン５００ｍｇを加え、ソニケーターを用いて溶解させた。ｐ−キノン型フェノール樹脂３．８ｇ、および、気相成長炭素繊維１５０ｍｇ、前記ポリフッ化ビニリデンのＮ−メチルピロリジノン溶液５００ｍｇを乳鉢で混練し、炭素基板上に塗布した後、真空乾燥することにより多孔質体を得た。該多孔質体のＳＥＭ像を図４に示す。前記多孔質体は空隙率が約３０％であった。ここで、空隙率とはＳＥＭ像における炭素ドメイン以外の部分を意味し、ＳＥＭ像の空隙部の面積を総ピクセル数から換算し、これをＳＥＭ像全体の面積で除すことで算出した。【００７５】
前記多孔質体が塗布された炭素電極を作用極、白金電極を対極とし、銀／塩化銀電極を参照極に用いて、これらをビーカーセル内に設置して接続した。電解液としては、０．１ｍｏｌ／Ｌ過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液を用意し、ビーカーセル内に電解液を加えて、クロノポテンショメトリー（ＣＰ）測定を行った。【００７６】
前記多孔質体内に負電荷が定量的に蓄積されたのを確認した後、電解液に水を添加することで水素付加を行い、ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂の炭素複合多孔体を得た。
この多孔体を（２）と同様の調製方法でＦｅ（ＩＩ）フェニレンジアミン錯体触媒溶液に添加した。白色光を照射したところ、気体が発生したので、ガスクロマトグラフィーにより分析し、水素発生を定量した。１つの試料について水素付加および水素発生を３回繰り返し、各々水素発生を確認した。【００７７】
（実施例２）
ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂の代わりにｏ−ヒドロキノン型フェノール樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして水素発生についての確認を行った。【００７８】
（実施例３）
ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂の代わりにレゾール型フェノール樹脂を用いた以外は実施例１と同様にして水素発生についての確認を行った。【００７９】
実施例１〜３において水素付加体の収率および水素発生収率を計算した結果を表１に示す。ここで言う水素付加体の収率とは、キノン型フェノール樹脂を電解水素化して得られたヒドロキノン型フェノール樹脂の中で、水素化されたキノン部位のモル数を全キノン部位のモル数で除した値である。また、水素発生収率とは、発生した水素のモル数をヒドロキノン型フェノール樹脂の中のヒドロキノン部位のモル数で除したものである。
【表１】
2015005280.tif 000018
【００８０】
（実施例４）
ポリマーに導入する水素貯蔵部として、フルオレノールの検討を行った。炭素電極を作用極に、白金電極を対極に、銀／塩化銀電極を参照極に用い、これらをビーカー内に設置し、サイクリックボルタンメトリー（ＣＶ装置ＢＡＳ  ６６０Ｄｘ）に接続した。電解溶液として、０．１ｍｏｌ／Ｌ  過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液に１ｍｍｏｌ／Ｌとなるように９−フルオレノン、および、９−フルオレノールを溶解させたものを用いた。【００８１】
ＣＶ測定の結果、９−フルオレノン溶液では、図６に示すように、−１．３Ｖ、−１．９Ｖに２段階の酸化還元波を示し、９−フルオレノール溶液では、図７に示すように、０．４Ｖ、０．８Ｖに９−フルオレノール由来の酸化波を示した。【００８２】
次に、９−フルオレノン溶液に水を過剰に加えて、プロトン存在下でＣＶ測定を行った結果、図８に示すように、９−フルオレノン由来の酸化波がほとんど生起せず、０．４Ｖ、０．８Ｖに酸化波が新しく生起した。このことから、プロトン存在下において、９−フルオレノンが還元状態になると、プロトンの付加反応が定量的に生じ、９−フルオレノールが生成することを確認した。なお、図６〜図８において、縦軸は電流値を示しており、それぞれの図中に示される矢印は、電流の振れ幅の大きさの目安を示す。【００８３】
０．１ｍｏｌ／Ｌ  過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液に０．０２ｍｏｌ／Ｌとなるように９−フルオレノンを溶解させた溶液に水を添加し、電解還元をバルクエレクトロリシス測定にて行った。電解還元後の溶液の溶媒をエバポレーターにて減圧除去した後、固体を得た。これを過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液に再度溶解させ、０．１ｍｍｏｌ／Ｌ溶液に調整した。【００８４】
９−フルオレノン溶液、９−フルオレノール溶液、前記電解還元後の溶液の紫外可視吸収スペクトル（ＵＶスペクトル）測定を紫外可視近赤外分光光度計（Ｊａｓｃｏ  Ｖ−５７０）を用いて行ったところ、図９に示すように、電解還元後の溶液から調整した測定溶液のＵＶスペクトルは９−フルオレノール溶液のＵＶスペクトルと一致した。このことから、プロトン存在下において９−フルオレノンを電解還元すると、プロトン付加によって９−フルオレノールが室温で定量的に生成することが確認された。【００８５】
＜水素発生＞
ナスフラスコに、撹拌子と、モレキュラーシーブ２５０ｍｇと、テトラヒドロフラン２ｍＬと、過塩素酸鉄（ＩＩ）・六水和物２８．９ｍｇと、ｏ−フェニレンジアミン  ２５．９ｍｇとを加え、３０秒間撹拌した。その溶液は白濁溶液となった。一方で、他のナスフラスコに、９−フルオレノール１４５ｍｇを加えて、テトラヒドロフラン２ｍＬに溶解させた。この調整した９−フルオレノールのテトラヒドロフラン溶液２ｍＬを前記３０秒間撹拌後の試料溶液へ加えた。この時、溶液には変化は見られず、白濁した状態であった。【００８６】
以上のように調製された溶液に白色光を照射したところ、気体の発生が確認できた。照射開始から０、１、２、５、１０、１５時間後にシリンジを用いてサンプル瓶内の気体を０．２ｍＬ採取し、ガスクロマトグラフィーによる分析を行った。得られたクロマトグラムを図１０に示す。その結果、水素の発生が確認された。
以上に説明したとおり、９−フルオレノールを加えることによって、加えていない場合に比べて著しく水素の発生量が増加したことから、９−フルオレノールから水素が発生していることが確認された。【００８７】
（実施例５）
フルオレノールを水素貯蔵部とする樹脂として、ポリ（２−ビニルフルオレノン）（下記化合物（３））からなる水素担体を製造した。
（１）ポリビニル型フルオレノンポリマーの合成
まず、以下の反応式６に基づいて、２−ビニルフルオレノン（反応式６の中央の化学式の化合物（２））の合成と、それを用いてポリビニル型フルオレノンポリマー（反応式６の右辺の化学式の化合物（３））の重合を行った。
【化１６】
2015005280.tif 000019
【００８８】
＜２−ビニルフルオレノンの合成＞
１００ｍＬの二口ナスフラスコに、２−ブロモフルオレノン１．５０ｇ、トリフェニルホスフィンパラジウム２０１ｍｇ、重合禁止剤としてジブチルヒドロキシトルエン１ｍｇ、トルエン５９．５ｍＬ、および、トリブチルビニルスズ２．５５ｍＬを加え、１００℃で１４時間反応させた。反応後、エバポレーターにてトルエンを減圧除去し、分液ロートを用いて、生成した２−ビニルフルオレノンをクロロホルムおよび飽和塩化ナトリウム水溶液にて抽出した。エバポレーターにてクロロホルムを減圧除去した後、ヘキサン／クロロホルムを留出溶媒としたシリカゲルカラムによる精製を行った。精製画分から溶媒を減圧除去し、ヘキサンによる再結晶精製を経て、黄色固体の２−ビニルフルオレノン９００ｍｇ（４．３６ｍｍｏｌ）を得た（収率６０％）。【００８９】
得られた２−ビニルフルオレノンの１Ｈ−ＮＭＲ、１３Ｃ−ＮＭＲ、元素分析、質量分析の測定結果を以下に示す。
１Ｈ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ３，５００ＭＨｚ，ｐｐｍ）：  δ  ＝７．７３（ｓ，１Ｈ，ｐｈ），７．６４（ｄ，１Ｈ，ｐｈ），７．４４−７．５０（ｍ，４Ｈ，ｐｈ），  ７．２９（ｔ，１Ｈ，ｐｈ），  ６．６８（ｔ，１Ｈ，Ｖｉｎｙｌ），  ５．７９（ｄ，  １Ｈ，ｐｈ），  ５．３１  （ｄ，１Ｈ，Ｖｉｎｙｌ）
１３Ｃ−ＮＭＲ（ＣＤＣｌ３，  ５００ＭＨｚ，ｐｐｍ）  ：  δ  ＝  １９３．９，  １４４．４，  １４３．６，  １３８．９，  １３５．９，  １３４．９，  １３４．７，  １３４．６，  １３２．９，  １２９．１，  １２４．５，  １２１．６，  １２０．４，  １１５．１
元素分析  （ｆｏｕｎｄ）  Ｃ：８７．４％，  Ｈ：４．９％，  Ｎ：０．０％，
（ｃａｌｃｄ）  Ｃ：８７．２％，  Ｈ：４．７％，  Ｎ：０．０％
質量分析  （ｆｏｕｎｄ）  ｍ／ｚ＝２０６．１，
（ｃａｌｃｄ）  ｍ／ｚ＝２０７．１【００９０】
＜ポリビニル型フルオレノンポリマーの合成＞
アンプル瓶に、重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル０．５９７ｍｇ、前記化合物（２）１００ｍｇ、および、１，２−ジクロロエタン０．３２３ｍＬを加え、１．５ｍｏｌ／Ｌの２−ビニルフルオレノン溶液を得た後、凍結脱気しラジカル重合した。反応後、濃縮、メタノールへの沈殿精製、遠心分離による回収、終夜ソックスレーによる精製を経て、黄色固体のポリビニル型フルオレノンポリマーを得た（収率６９％）。【００９１】
得られたポリマーについて、元素分析およびゲルパーミエーションクロマトグラフィ（ＧＰＣ）による分子量の測定結果を以下に示す。
元素分析  （ｆｏｕｎｄ）  Ｃ：８７．４％，  Ｈ：４．９％，  Ｎ：０．０％，
（ｃａｌｃｄ）  Ｃ：８７．１％，  Ｈ：５．１％，  Ｎ：０．０％
ＧＰＣ  ：  Ｍｗ＝２．６×１０４，  Ｍｗ／Ｍｎ＝２．０【００９２】
（実施例６）
フルオレノールを水素貯蔵部とする樹脂として、ポリアリルアミン連結フルオレノン（下記反応式７の右辺の化合物（５））からなる水素担体を製造した。
（１）ポリアリルアミン連結フルオレノンの合成
まず、以下の反応式７に基づいて、フルオレノン−２−カルボン酸（下記反応式７の左辺の化合物（４））を用いてポリアリルアミン連結フルオレノンの合成を行った。【００９３】
５０ｍＬのナスフラスコ中にフルオレノン−２−カルボン酸  ２２４ｍｇをジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）  ２０ｍＬに加え、ソニケーターにより溶解させて０．０５ｍｏｌ／Ｌのフルオレノン−２−カルボン酸溶液を得た後、ポリアリルアミン２８６μＬ（Ｍｎ＝２．５×１０４、１０ｗｔ％、メタノール溶液）を加えて、撹拌しながら３０分間氷冷した。氷冷後、縮合剤として４−（４，６−ジメトキシ−１，３，５−トリアジン−２−イル）−４−メチルモルホリニウムクロリド２９１ｍｇ（ＤＭＴ−ＭＭ）を加え、０℃で終夜反応させた。反応後、メタノールへの沈殿精製、遠心分離による回収、終夜ソックスレーによる精製を経て、黄色固体のポリアリルアミン連結フルオレノンを得た（収率  ８２％）。元素分析の結果からフルオレノンの導入率は８６％となった。
【化１７】
2015005280.tif 000020
ポリアリルアミン連結フルオレノンは汎用溶媒に不溶であり、ＮＭＲなどの解析ができないため、フーリエ変換赤外分光光度計（Ｊａｓｃｏ  ＦＴ／ＩＲ−６１００）を用いて測定した赤外吸収スペクトル（ＩＲスペクトル）の測定結果のみ以下に示す。
ＩＲ（ｃｍ−１）：  ６４０８（ν−ＮＨ２），  ３３１８  （ν−ＮＨ−）【００９４】
（実施例７）
フルオレノールを水素貯蔵部とする樹脂として、アジピン酸連結型フルオレノン置換ポリアリルアミン（下記反応式８の右辺の化合物（６））からなる水素担体を製造した。
（１）アジピン酸連結型フルオレノン置換ポリアリルアミンの合成
まず、以下に記載の反応式８に基づいて、フルオレノン−２−カルボン酸（下記反応式８の左辺の化合物（４））を用いてアジピン酸連結型フルオレノン置換ポリアリルアミンの合成を行った。【００９５】
３０ｍＬのナスフラスコ中にフルオレノン−２−カルボン酸  １６８ｍｇとアジピン酸  ２１．９ｍｇ  をＤＭＦ  １２．５ｍＬに加え、ソニケーターにより溶解させて０．０６ｍｏｌ／Ｌのフルオレノン−２−カルボン酸溶液を得た後、ポリアリルアミン２８６μＬ（Ｍｎ＝２．５×１０４、１０ｗｔ％  メタノール溶液）を加えて、撹拌しながら３０分間氷冷した。氷冷後、縮合剤として４−（４，６−ジメトキシ−１，３，５−トリアジン−２−イル）−４−メチルモルホリニウムクロリド２９１ｍｇ（ＤＭＴ−ＭＭ）を加え、０℃で終夜反応させた。反応後、メタノールへの沈殿精製、遠心分離による回収、終夜ソックスレーによる精製を経て、以下の化学式８に示される黄色固体のアジピン酸連結型フルオレノン置換ポリアリルアミンを得た（収率８０％）。元素分析の結果からフルオレノンの導入率は８３％、アジピン酸による架橋率は８％となった。
【化１８】
2015005280.tif 000021
アジピン酸連結型フルオレノン置換ポリアリルアミンは汎用溶媒に不溶であり、ＮＭＲなどの解析ができないため、ＩＲスペクトルの測定結果のみ以下に示す。１７７６ｃｍ−１にポリアリルアミン連結フルオレノンでは見られないカルボニル由来のピークを検出したことから、アジピン酸の導入を確認した。
ＩＲ（ｃｍ−１）：  ３４１７（ν−ＮＨ２），  ３３１５（ν−ＮＨ−），  １７７６（νＣ＝Ｏ）【００９６】
実施例５〜７について、実施例１の（２）ｐ−ヒドロキノン型フェノール樹脂からの水素発生および（３）電解水素化による水素付加のセクションと同様にして、水素発生について確認した。その結果を表２に示す。
【表２】
2015005280.tif 000022
【００９７】
次に、Ｎ−メチルピロリジノン４５０ｍｇにポリフッ化ビニリデン５０ｍｇを加え、ソニケーターを用いて溶解させた。
気相成長炭素繊維１５ｍｇ、ポリビニル型フルオレノンポリマー８０ｍｇおよび上記で調整したポリフッ化ビニリデン／Ｎ−メチルピロリジノン溶液５０ｍｇを乳鉢を用いて混練、炭素基板上に塗布した後、減圧乾燥することにより多孔質体を得た。【００９８】
前記多孔質体が塗布された炭素電極を作用極に、白金電極を対極に、銀／塩化銀電極を参照極に用い、これらをビーカー内に設置し、クロノポテンショメトリーに接続した。
電解液としては、０．１ｍｏｌ／Ｌ  過塩素酸テトラブチルアンモニウムのアセトニトリル溶液を用意し、ビーカーセル内に電解液を加えて、クロノポテンショメトリー（ＣＰ）測定を行った。【００９９】
ポリマー内に負電荷が蓄積されたのを確認した後、電解液に水を添加することで水素付加を行った。
前記多孔質体からテトラヒドロフラン可溶部を分離した。得られたテトラヒドロフラン可溶成分のＵＶスペクトルを測定したところ、図１１に示すように電解水素化前のポリビニル型フルオレノンポリマーとは異なる吸収で、９−フルオレノールの吸収波長と一致した。電解水素化によってポリビニル型フルオレノンポリマー内の９−フルオレノン部分が水素化され、９−フルオレノールに還元されたことが示された。
上記で得られたポリマーを用いた場合でも水素発生が確認され、さらに同様の操作を繰り返し行ったところ、上記と同様の結果が得られた。【０１００】
（実施例８）＜＊イリジウム錯体を用いた場合の低分子での水素発生１＞
９−フルオレノールについて、触媒を鉄錯体から、イリジウム錯体に変更して水素発生を試みた。水素発生は以下の反応式９のとおりである。
５０ｍＬのナスフラスコ中に、撹拌子と、フルオレノール３６４ｍｇ（２ｍｍｏｌ）と、以下の構造式１０に示すイリジウム錯体（１）を８１．５ｍｇ（０．１ｍｍｏｌ）と、ＤＭＦ２ｍｌとを入れて溶解させ、１５３℃に加熱した。シリンジを用いて反応容器内の気体を一定時間ごとに０．２ｍＬ採取し、ガスクロマトグラフィーによる分析を行った。
【化１９】
2015005280.tif 000023
【化２０】
2015005280.tif 000024
【０１０１】
（実施例９）＜＊イリジウム錯体を用いた場合の低分子での水素発生２＞
触媒として加えたイリジウム錯体（１）を、以下の構造式１１に示すイリジウム錯体（２）に変更し、添加量を５６．１ｍｇ（０．１ｍｍｏｌ）とした以外は実施例８と同様にして、反応後の反応容器内の気体の分析を行った。
図１２は、実施例８および実施例９における気体分析結果に基づいて得られた、フルオレノールの水素発生収率について、経時変化を示した図である。図示されるように、どちらの触媒を用いた場合においても、ほぼ１００％の転換率を達成し、定量的な水素の発生が確認された。
【化２１】
2015005280.tif 000025
【０１０２】
（実施例１０）＜＊イリジウム錯体を用いた場合のポリマーでの水素発生＞
５０ｍＬナスフラスコに、撹拌子と、ポリビニルフルオレノール２０９ｍｇ（重量平均分子量Ｍｗ＝２００００、１ｍｍｏｌ）と、実施例８で用いたイリジウム錯体（１）４０．７ｍｇ（０．０５ｍｍｏｌ）と、ＤＭＦ１ｍＬとを入れて溶解させ、１５３℃に加熱した。水素発生は以下の反応式１０のとおりである。
シリンジを用いて反応容器内の気体を一定時間ごとに０．２ｍＬ採取し、ガスクロマトグラフィーによる分析を行った。図１３は、実施例１０における気体分析結果に基づいて得られた、ポリビニルフルオレノールの水素発生収率について、経時変化を示した図である。図示されるように、ほぼ１００％の転換率を達成し、定量的な水素の発生が確認された。
【化２２】
2015005280.tif 000026
【０１０３】
（実施例１１）＜＊ＰＶＡ低分子量体を用いた場合のポリマーでの水素発生＞
５０ｍＬナスフラスコに、撹拌子と、構造式１２に示す２，４-ペンタンジオール０．５μｌ（５ｍｍｏｌ）と、以下の構造式１３に示すイリジウム錯体（３）を２６、２ｍｇ（０．０５ｍｍｏｌ）と、トルエン５ｍＬとを入れて溶解させ、還流した。シリンジを用いて反応容器内の気体を一定時間ごとに０．２ｍＬ採取し、ガスクロマトグラフィーによる分析を行った。その結果、図１４は、実施例１１における気体分析結果に基づいて得られた、２，４-ペンタンジオールの水素発生収率について、経時変化を示した図である。図示されるように、定量的に水素の発生が確認され、水素源に対する転換率は４８％で定常化した。
また、還流後の反応容器内の溶液について、ＩＲスペクトルを測定したところ、図１５に示されるように、１７００ｃｍ−１付近にケトン基由来のピークが確認された。
【化２３】
2015005280.tif 000027
【化２４】
2015005280.tif 000028
【０１０４】
（実施例１２）＜＊ＰＶＡを用いた場合のポリマーでの水素発生＞
５０ｍＬナスフラスコに、撹拌子と、以下の構造式１４に示すポリビニルアルコール（ＰＶＡ）（Ｍｗ＝９０００−１００００、けん化度８０％）２５０ｍｇと、実施例１１で用いたイリジウム錯体（３）２６、２ｍｇと、ＤＭＦ１０ｍＬとを入れて溶解させ、還流した。３０時間後、シリンジを用いて反応容器内の気体を０．２ｍＬ採取し、ガスクロマトグラフィーによる分析を行った。図１６は、分析により得られたクロマトグラムである。図示されるように、定量的に水素の発生が確認された。
【化２５】
2015005280.tif 000029
【符号の説明】
【０１０５】
Ａ  酸化還元活性部
Ａ２ｎ−  還元体
Ａ  酸化還元活性部
ＡＨ２ｎ  水素貯蔵部
１  水素担体
１０  水素発生槽
２０  触媒貯留部
３０  バルブ
４０  トラップ
１００  水素発生装置
【図１】
2015005280.tif 000030
【図２】
2015005280.tif 000031
【図３】
2015005280.tif 000032
【図５】
2015005280.tif 000033
【図１１】
2015005280.tif 000034
【図１２】
2015005280.tif 000035
【図１３】
2015005280.tif 000036
【図１４】
2015005280.tif 000037
【図１５】
2015005280.tif 000038
【図１６】
2015005280.tif 000039
【図４】
2015005280.tif 000040
【図６】
2015005280.tif 000041
【図７】
2015005280.tif 000042
【図８】
2015005280.tif 000043
【図９】
2015005280.tif 000044
【図１０】
2015005280.tif 000045
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月4日(2015.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素貯蔵部を有機ポリマーの主鎖および／又は側鎖に含む水素担体であって、
該水素貯蔵部は、触媒存在下で水素分子を発生するとともに酸化還元活性部になり、
該酸化還元活性部は、還元と、プロトン源への接触とにより、水素を貯蔵して前記水素貯蔵部になり、
前記水素貯蔵部はヒドロキノイド構造を含み、
前記有機ポリマーは、
（ｉ）ポリビニルアルコール又は変性ポリビニルアルコールの誘導体であるか、又は、
（ｉｉ）エチレン、スチレン、ノルボルネン、アリルアミン、メタクリル酸およびアクリル酸のうち少なくとも１種の化合物に由来する官能基と、フェニレンメチレン、フェニレンエーテルおよびフェニレンエステルのうち少なくとも１種の官能基とからなる群から選択される、少なくとも１種の官能基を繰り返し単位に含み、
前記水素担体はゲル又は固体である、
水素担体。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記ヒドロキノイド構造は、ベンゾキノール、ナフトキノールおよびアントラキノールからなる群より選ばれる少なくとも１種の化合物から誘導される、請求項１に記載の水素担体。
【請求項６】
前記水素貯蔵部はフルオレノールから誘導される官能基を含む、請求項１に記載の水素担体。
【請求項７】
（削除）
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
前記触媒は、鉄、銅、バナジウム、コバルト、オスミウム、ロジウム、マンガン、ニッケル、イリジウム、白金およびパラジウムからなる群から選択される少なくとも１種類の元素を中心金属とする金属錯体である、請求項１、５及び６のうちいずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１０】
前記金属錯体の配位子は、ジアミン、ｏ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、ヒドロキシピリジン、ビスヒドロキシピリジン、アセチルアセトン、ポルフィリン、シッフ塩基、トリフェニルホスフィン、シクロペンタジエンおよびペンタメチルシクロペンタジエンからなる群から選択される少なくとも１種類の化合物を含む、請求項９に記載の水素担体。
【請求項１１】
前記プロトン源は水を含む、請求項１、５、６、９及び１０のうちいずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１２】
前記有機ポリマーは成形可能である、請求項１、５、６、９、１０及び１１のうちいずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１３】
導電助剤を含む、請求項１２に記載の水素担体。
【請求項１４】
多孔質体である、請求項１２又は１３いずれか１項に記載の水素担体。
【請求項１５】
請求項１、５、６、９、１０、１１、１２、１３及び１４のうちいずれか１項に記載の水素担体を用意する第１の工程と、
該水素担体に前記触媒を接触させることにより水素を発生させる第２の工程と、
第２の工程の後に、前記水素担体に水素を付加する第３の工程とを含み、
前記第３の工程は、還元した後にプロトン源への接触をする工程か、前記還元とプロトン源への接触とを同時に実施する工程かであり、
第２の工程と、第３の工程とを少なくとも１回繰り返し実施する、水素発生方法。
【請求項１６】
（削除）
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
前記還元は前記水素担体を電気分解することにより実施される、請求項１５に記載の水素発生方法。
【国際調査報告】
2015005280.tif 000046
2015005280.tif 000047
2015005280.tif 000048
2015005280.tif 000049