発表のポイント

• 合成・保存に関する高度な知識・設備が必要なため活用されてこなかった五酸化二窒素（N₂O₅）^注1を選択的に高濃度（約200 ppm）合成するポータブルプラズマ装置の開発に成功
• 空気と数十Wの電力さえあれば、あらゆる場所で、スイッチ一つでN₂O₅を生成・供給可能
• 多方面（殺菌、ウイルス不活化、植物活性化、治療等）でのN₂O₅応用展開が期待できる

概要

無水硝酸とも呼ばれる五酸化二窒素（N₂O₅）は、強力な反応性を有することから殺菌や治療、医薬品合成、材料合成などへの活用が期待されています。しかし、従来の合成法・保管には高度な設備と繊細な取り扱いが要求されるため、多くの研究者や人々にとって利用が困難でした。

東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻の佐々木 渉太　助教、髙島 圭介助教、金子 俊郎　教授は、空気からN₂O₅を選択的に合成するプラズマ装置の開発に成功しました（図１）。この装置は、空気と数十Wの電力さえあれば動作可能なため、異分野の研究者をはじめとして、より多くの人々にN₂O₅を提供可能です。これを皮切りに、生物や材料に対するN₂O₅の作用が研究され始めるともに、多方面でのN₂O₅応用展開が期待されます。研究成果は、2020年12月22日にIndustrial & Engineering Chemistry Research誌のオンライン版で公開されました。

図1．空気からN₂O₅を電気的合成

1.研究背景

N₂O₅は、強力な酸化・ニトロ化能を有しており、これまで主に有機合成化学分野で使用されてきました。その高反応性から、殺菌や治療、医薬品合成、材料合成などへの応用が期待されていますが、従来合成法や保管における様々な制約（例：強酸条件（pH < 1）、激しい発熱反応を扱う設備、大量強酸処理設備、高真空設備、耐爆設備などが必要）のため、広く研究・利用されることはありませんでした。特に、生物（動物・植物・菌類）やウイルスに対するN₂O₅の作用を調べた研究例は極めて少ないのが現状です。

従って、誰もが簡単・安全にN₂O₅を生成・利用可能な方法が開発できれば、N₂O₅の研究が一気に加速するとともに、多方面における応用展開・産業開発が期待されます。

2.研究内容及び本成果の意義

本研究では、誘電体バリア放電^注2を用いた、ガス温度が異なる2つのプラズマ反応器を組み合わせて使用することで、空気からN₂O₅を合成しました（図2）。高温プラズマ反応器では、主にNO・NO₂^注3 を生成し、低温プラズマ反応器ではO₃^注4を生成するように設計されています。このNO・NO₂とO₃を、最適条件で混合することで、他の活性種に比べ10倍以上高い密度を持つN₂O₅を合成することに成功しました（図3）。さらに、図3に示すように、簡単なスイッチ制御により、NO・NO₂、あるいはO₃を選択的に供給することも可能となっています。

今回開発した装置は、空気とわずか数十W程度の電力で動作可能であるため、太陽電池等の再生可能エネルギーを使用すれば、空気という無尽蔵資源から持続的にN₂O₅などの活性種を供給することが可能です。また、従来法に不可欠であった高度な設備を必要とせず、スイッチ1つで合成可能なため、異分野の研究者をはじめとして、多くの人々がN₂O₅を活用できるようになります。この開発により、N₂O₅に関する研究が加速することで、今まで未知・未探索であった新しいN₂O₅の作用が見つかることが期待されます。

支援：この研究は、新領域創成のための挑戦研究デュオ～Frontier Research in Duo(FRiD)～、文部科学省科学研究費補助金・基金、プラズマバイオコンソーシアムの支援を受けて行われました。

論文情報