カルボキシ基を活用した温和な条件でのポリエチレンの分解～低エネルギーで再利用できるプラスチックの開発に向けて～

令和６年７月４日

東京大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

カルボキシ基を活用した温和な条件でのポリエチレンの分解

～低エネルギーで再利用できるプラスチックの開発に向けて～

ポスト

ポイント

• カルボキシ基（－ＣＯＯＨ）を少量含むポリエチレン（分子量１０，０００程度）を対象とし、セリウム触媒共存下で可視光を当てることで低分子量化（分子量５００程度）に成功しました。
• 本反応はポリエチレンを溶解・融解させることなく、８０度の低温で固体のまま低分子量化することができます。
• 従来のポリエチレンのケミカルリサイクル技術は３００－５００度の非常に高い温度を必要としていたのに対し、本手法を適用すると、反応温度を大幅に低下させられるため、省エネ・低コスト化効果も期待されます。

東京大学 大学院工学系研究科の野崎 京子 教授、高橋 講平 特任講師、Ｂｉｎ Ｌｕ（ビン・ルー） 特任研究員、山本 悠太 大学院生、片島 拓弥 講師、同大学 生産技術研究所の吉江 尚子教授、中川 慎太郎 講師、Ｊｉａｎ Ｚｈｏｕ（ジェン・ジョウ） 特任研究員（研究当時）らの研究グループは、カルボキシ基が少量置換したポリエチレンを対象とし、少量のセリウムを共存させて可視光を当てると、その分子鎖が切断され、小さな断片へと変換できることを発見しました。

今回、本研究グループはポリエチレンそのものではなく、ポリエチレンに少量のカルボキシ基を含む高分子である「カルボキシ化ポリエチレン」のカルボキシ基を分解の足がかりとして応用するという着想のもと研究を行いました。具体的には、カルボン酸から炭素ラジカルを生じさせる方法が有機合成分野の研究ですでに知られていたため、これをカルボキシ化ポリエチレンに適用することでポリエチレンの鎖上に炭素ラジカルを発生させ、その高い反応性から鎖が切断されると考えました。

高分子を反応させる場合、高温で融解させることや溶媒に溶解させることが一般的でした。そのため、研究開始当初はそのような反応条件を検討していました。しかし、さまざまな反応条件を検討するなか、少量のセリウム塩共存下でＬＥＤランプの光（青色）を当てると、カルボキシ化ポリエチレンが溶解も融解もしないアセトニトリル溶媒中、８０度の条件でも反応が進行し、その分子量が１０，０００程度から５００程度まで低下することが明らかとなりました。さらにこの反応は水中でも進行するばかりでなく、カルボキシ化ポリエチレンと少量のセリウム塩をすり混ぜて混合したものであれば溶媒を用いずとも、粉末に光を当てるだけで進行することが明らかとなりました。より実用に即した実験として、粉末ではなく厚み０．１ミリメートルのフィルムを用いた場合でも反応は進行し、低分子量化することができました。

既存のポリエチレンの分解・再利用の技術は一般には３００－５００度の高温を必要としており、学術研究としても１５０度程度が限界でした。本手法を用いることでその温度を８０度と大幅に低減することができます。本手法で低分子量化した断片はさらなるガス化や油化に用いることで有用な化学原料に変換できると期待されるため、総エネルギーコストの面で優れたケミカルリサイクルの実現へとつながるものと考えられます。

なお、本研究成果は、２０２４年７月１日（米国東部夏時間）にアメリカ化学会が発行する学術誌である「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ」の速報版としてジャーナルＨＰに公開されました。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ「野崎樹脂分解触媒プロジェクト（課題番号：ＪＰＭＪＥＲ２１０３）」（研究総括：野崎 京子）の支援により実施されました。

＜プレスリリース資料＞

• 本文 ＰＤＦ（７３６ＫＢ）

＜論文タイトル＞

“Mild Catalytic Degradation of Crystalline Polyethylene Units in Solid State Assisted by Carboxylic Acid Groups”

ＤＯＩ：10.1021/jacs.4c07458

＜お問い合わせ先＞

• ＜研究に関すること＞

  野崎 京子（ノザキ キョウコ）

  東京大学 大学院工学系研究科 教授
  Tel：03-5841-7261
  E-mail：nozakichembio.t.u-tokyo.ac.jp

  高橋 講平（タカハシ コウヘイ）

  東京大学 大学院工学系研究科 特任講師
  Tel：03-5841-7265
  E-mail：takahashi-kg.ecc.u-tokyo.ac.jp

• ＜ＪＳＴ事業に関すること＞

  永井 諭子（ナガイ サトコ）

  科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部 グリーンイノベーショングループ
  〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
  Tel:03-3512-3528 Fax：03-3222-2068
  E-mail：eratowwwjst.go.jp

• ＜報道担当＞

  東京大学 大学院工学系研究科 広報室

  Tel：03-5841-0235
  E-mail：kouhoupr.t.u-tokyo.ac.jp

  東京大学 生産技術研究所 広報室

  Tel：03-5452-6738
  E-mail：proiis.u-tokyo.ac.jp

  科学技術振興機構 広報課

  〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
  Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
  E-mail：jstkohojst.go.jp

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