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

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。