⼤阪⼤学産業科学研究所
シリコン製剤創製・物性学寄附研究部⾨(2024.1.30)

シリコン製剤の最新の研究業績を第 12 回 imec・阪⼤ 国際シンポジウム(imec-Handai International Symposium; 2023.11.8) で発表しました
2024 年 1 ⽉ 30 ⽇
⼤阪⼤学産業科学研究所
シリコン製剤創製・物性学寄附研究部⾨〔概要〕2023 年 11 ⽉ 8 ⽇に⼤阪⼤学産業科学研究所において開催された「2023 年 第 12回 imec・阪⼤ 国際シンポジウム」において、シリコン製剤創製・物性学寄附研究部⾨による最新の研究業績に基づく発表を⾏いました。今回は、その内容を⽇本語でご紹介させていただきたいと思います。

⾊々な疾患が、活性酸素、特に最も⾼い酸化⼒を持つヒドロキシルラジカル（OH ラジカル）による細胞の酸化が⼤きな原因となり発症する。シリコン製剤は、体内で多量の⽔素を持続的に発⽣させることで、酸化ストレスを低減できる。その結果、種々の酸化ストレス性の疾患の予防と治療が可能であることが、⼤阪⼤学⼤学院医学系研究科が⾏った動物実験で確認され、⼈への適⽤が期待される。
本研究では、シリコン製剤が腸内で推定される弱酸性から弱アルカリ性の広い pH の範囲で⽔溶液と反応して、多量の⽔素が発⽣することを⾒出した。
素ナトリウム⽔溶液にシリコン製剤を浸漬して発⽣する⽔素量を、⽔上置換法で観測した結果を⽰す。液温は 36℃、pH は 8.3 であった。⽔素発⽣反応は 24 時間持続

⽔素発⽣量(㎖/g)

図 1 に、濃度 100mM の炭酸⽔

1600
140036℃、pH8.312001000800600400し、その間に発⽣する⽔素量は2001400 ㎖/g 以上であった。シリコ

00

ン製剤の製造⽅法及び⽔素発⽣量

510152025

反応時間 (h)の観測技術の向上によって、このように多量の⽔素を発⽣させるこ

図 1とに成功した。

トリウム⽔溶液（pH8.3、36℃）と反応した際に発表 1 に、6.7〜8.2 の pH を持つシリコン製剤が濃度 100mM の炭酸⽔素ナ

⽣する⽔素量、⽔素発⽣量は 27℃で観測。

⽔溶液と 24 時間反応して発⽣す1

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る⽔素量を⽰す。シリコン製剤を、市販の以下の 4 種類の⽔溶液と反応させ、⽔素発⽣量を⽔上置換法で測定した。
使⽤した市販の⽔溶液を以下に⽰す。
① 富⼠フィルム和光純薬製

１M トリス塩酸（pH7.0） Code No. 313-90415② 武藤化学製

１M トリス塩酸（pH7.5） No. 13382③ 武藤化学製

１M トリス塩酸（pH8.0） No. 16900④ 武藤化学製

１M トリス塩酸（pH8.5） No. 19341

⽔素発⽣反応に⽤反応液のpH

いた⽔溶液は、室温で27℃での⽔素発⽣量

pH7.0、7.5、8.0、及び8.5 が保証されている緩衝液であるが、⽔素（㎖/g）標準状態に換算した⽔素発⽣量(㎖/g)

発⽣実験は 36℃で⾏ったため、Nernst の表1式にしたがって、pHに 24 時間で発⽣する⽔素量

6.74

7.26

7.71

8.211122 1128 1345 16351021 1026 1224 1488

シリコン製剤が 4 種類の pH を持つ⽔溶液と反応した場合は約 0.3 下がった。測定試料数は、pH7.3 では 4 試料、それ以外は 6 試料とした。
pH6.7 の弱酸性⽔溶液との反応でも、シリコン製剤 1g から 27℃での観測で 1122 ㎖という多量の⽔素が発⽣した。⽔素発⽣反応に⽤いた⽔溶液の pH の上昇に伴い、⽔素発⽣量は増加したが、pH 依存性はそれほど⼤きくない。反応初期の⽔素発⽣速度は pH の増加に伴い著しく増加することがわかっている。⼀⽅、シリコン製剤の⽔素発⽣量の理論限界（Si +2H2O → SiO2 + 2H2O の反応式から計算される⽔素発⽣量のこと。標準状態で 1594mL/gの⽔素量。）は pH に依存しない。したがって、24 時間で発⽣する⽔素量は、⽔溶液の pHに⼤きくは依存しないことが理解できる。
以下のように、消化管内を模擬する⽔素発⽣実験を⾏った。胃酸には塩酸が含まれており、胃酸の pH は 1 から 2 と報告されている。⼀⽅、腸内に分泌される膵液や腸液には炭酸⽔素ナトリウムが含まれており、それらの pH は 8.3〜8.5 である。我々は、pH1.0 及び pH2.0の塩酸⽔溶液に炭酸⽔素ナトリウム（NaHCO3）を添加して pH7.0 の⽔溶液を調整した。
これら 2 種類の 36℃、pH7.0 ⽔溶液に、シリコン製剤を投⼊して⽔上置換法を⽤いて⽔素発⽣量を観測した。

2

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図 2 に、pH7.0 の HCl＋NaHCO31200フを⽰す。グラフ a とグラフ b では、それぞれ pH1.0（グラフ a）と pH2.0（グラフ b）の塩酸に炭酸⽔素ナトリウムを加えて pH7.0 に調整した。
24 時間で発⽣する⽔素量は、シリコン製剤 1g につきグラフ a では 980

⽔素発⽣量(㎖/g)⽔溶液を⽤いた⽔素発⽣量のグラa

pH7.0、36℃

1000800b600
400200㎖、グラフ b では 600 ㎖と多量の⽔0素が発⽣している。⼀⽅、シリコン

05

製剤と純⽔の反応では、⽔上置換法を⽤いた観測では⽔素はほとんど観測されない。（注 1）
腸内ではイオンを含まない純⽔は存在しない。pH7.0 の箇所が存在するとすれば、そこでは胃酸に含ま10152025

反応時間(時間)
図 2

塩酸と炭酸⽔素ナトリウムの中和により調整した pH7.0 の中和⽔とシリコン製剤との反応による⽔素発⽣量：(a) pH1.0 の塩酸を中和、(b)pH2.0 の塩酸を中和れる塩酸と膵液や腸液に含まれる炭酸⽔素ナトリウムが中和した結果である。中和によって⽣成される
pH7.0 の⽔溶液には多くのイオンが含まれる。胃酸の pH が１から 2 であることを考慮すれば、pH1.0 やpH2.0 の塩酸を炭酸⽔素ナトリウムで中和して pH7.0 にした⽔溶液を⽤いた⽔素発⽣実験は、腸内で pH7.0となる箇所での⽔素発⽣を模擬した実験である。したがって、本実験は、
pH7.0 以上となる腸内の⼤部分で多図3

シリコン製剤からの⽔素発⽣が、イオンの存在に量の⽔素が発⽣することを⽰す実験よって促進されるメカニズムである。
シリコン製剤は pH7.0 の純⽔との反応ではあまり⽔素が発⽣しないが、pH7.0 のイオンを含む中和⽔とは反応して多量の⽔素が発⽣する理由を、以下に図 3 を⽤いて説明する。
シリコン製剤と⽔溶液との反応による⽔素発⽣反応は、以下の①〜④の過程で進⾏する。①
⽔溶液中（消化液中）の OH−イオンがシリコン製剤を覆っている酸化シリコン膜を通過する。②酸化シリコン膜/シリコン界⾯に OH―イオンが到達すれば、次の界⾯反応が起こる。
Si + 2OH− → SiO2 + 2H（または H2） + 2e。③界⾯反応で⽣成された電⼦ e が酸化膜表
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⾯に移動して表⾯準位に捕獲される。④表⾯準位に存在する電⼦が⽔分⼦に捕獲され、次の表⾯反応が起こる。2H2O + 2e →2OH− +2H（または H2）。①〜④の過程で最も遅い過程（律速過程）は①であることがわかっており（参考⽂献 1）、過程①が⽔素発⽣速度を決定する。OH−イオンや Cl−イオン等の陰イオンは酸化シリコン膜表⾯に特異吸着するものと思われる。これらの陰イオンは、酸化膜中に電界を⽣成して、OH−イオンの内部移動を促進する。つまり、酸化シリコン膜の表⾯上に吸着した陰イオンは、律速過程である OH−イオンの内部移動を促進させるために、イオンの存在によって⽔素発⽣反応が促進される。
その結果、図 2 に⽰したようにシリコン製剤が pH7.0 の⽔溶液とも反応して、多量の⽔素が発⽣する。
シリコン製剤は、上に⽰したように界⾯反応と表⾯反応によって⽔素が発⽣する。
Si + 2OH− → SiO2 + 2H（または H2） + 2e

（界⾯反応）

2H2O + 2e →（表⾯反応）

2OH− +2H（または H2）

界⾯反応の反応速度は表⾯反応に⽐較して格段に遅い。界⾯反応では⽔酸化物イオン OH−が必要なために、OH−イオンの濃度、すなわち pH が上昇すれば⽔素発⽣の反応速度が増加する。その結果、図 2 に⽰すように、pH8.3 の 100mM 炭酸⽔素ナトリウム⽔溶液との反応では、シリコン製剤 1g から 1,400 ㎖以上の⽔素が発⽣する。すなわち、シリコン製剤は腸内の⼤部分である pH7.0 以上の箇所で、⼗分量の⽔素が発⽣すると⾔える。
（注 1）⽔上置換法では、反応初期には少量ではあるが⽔溶液に⽔素が溶解し、また容器中の気圧がある程度上昇するまでは⽔素が観測されないという⽋点がある。⼀⽅、溶存⽔素系を⽤いて気体が存在しない条件下で⽔溶液中の⽔素濃度を観測すれば、微量の⽔素でも正確に観測することができる。電解質を含まない超純⽔との反応でも、微量の⽔素が発⽣することが溶存⽔素系での観測で分かっている。
参考⽂献 1：Y. Kobayashi, S. Matsuda, K. Imamura, and H. Kobayashi, Hydrogen generation
by reaction of Si nanopowder with neutral water, J. Nanopart. Res. 19 (2017) 176-1-9.

※本内容に関する問い合わせ先
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Tel: 06-6879-8448
E-mail: air-office<at>sanken.osaka-u.ac.jp※<at>を@に変換してください4