電流で誘起される非熱的触媒反応の駆動原理を解明~持続可能な温室効果ガス資源化の次世代化学技術に道筋~

2025-12-17 分子科学研究所

分子科学研究所と早稲田大学の研究グループは、不均一系触媒に直流電流を印加することで低温でも進行する非熱的触媒反応の駆動原理を解明した。モデル触媒であるPd/CeO₂を用いたメタンドライリフォーミング反応を、リアルタイム質量分析や多様なオペランド分光を組み合わせたマルチモーダル計測で解析した結果、従来想定されていた局所電場やジュール加熱ではなく、電流によって触媒中に注入された電子と正孔がCO₂還元とCH₄酸化を促進することが明らかとなった。特に、CeO₂中での電子・正孔生成と触媒活性の直接的相関を実証し、電流印加触媒反応の本質的機構を確立した。本成果は、温室効果ガスの低温資源化やPower-to-Gas技術の高効率化に向けた触媒設計指針を与える重要な基礎知見である。

<関連情報>

マルチモーダルオペランド解析により明らかにされたメタンの直流促進乾式改質における非熱触媒的起源 Nonthermal Catalytic Origin in DC-Enhanced Dry Reforming of Methane Unveiled by Multimodal Operando Analyses

Harunobu Tedzuka,Hikaru Saito,Nobuki Matsumoto,Masanari Nagasaka,Hiromasa Sato,Yasushi Sekine,and Toshiki Sugimoto
The Journal of Chemistry Letters  Published: December 11, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c03159

Abstract

 

電流で誘起される非熱的触媒反応の駆動原理を解明~持続可能な温室効果ガス資源化の次世代化学技術に道筋~

Catalytic dry reforming of methane (DRM) is a key reaction for the sustainable utilization of major greenhouse gases, CO2 and CH4. However, conventional DRM often suffers from severe catalyst deactivation due to high temperature requirements. Applying direct current (DC) to catalysts has emerged as a promising strategy to overcome these limitations, yet the underlying DC-enhanced catalytic mechanisms remain elusive. Here, we unveil the nonthermal catalytic origin of DC-applied DRM over Pd/CeO2 through multimodal operando analyses. Spatially resolved operando infrared measurements revealed that key reaction intermediates specific to nonthermal DRM exclusively emerge on current-carrying regions of the catalyst surface under DC bias. Furthermore, operando infrared and visible absorption spectroscopy detected the trapped electrons and holes generated in CeO2 during DC application and revealed a clear correlation between the density of injected charges and the DRM activity. Soft X-ray spectroscopic analysis uncovers an unconventional pathway of hole generation in nominally n-type CeO2 under DC bias. These observations demonstrate that DC application induces distinct molecular and electronic species that promote CO2 reduction and CH4 oxidation in DRM via nonthermal pathways.

0500化学一般
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