高効率CO2電解プロセス設計の新指針 ~圧力で生成物を制御する新原理を解明~

2026-05-18 東北大学

東北大学の研究チームは、高圧条件下でのCO2電解反応において、圧力が生成物選択性を制御する新たな反応原理を解明した。研究成果は『ACS Catalysis』に掲載された。CO2電解還元反応(CO2RR)はCO2を燃料や化学品へ再資源化する有望技術だが、CO2の低溶解度が課題だった。研究では最大20MPaの高圧条件下で電気化学実験と第一原理計算を組み合わせ、圧力依存性を解析した。その結果、5~15MPaではCO2溶解度増加により反応活性が向上する一方、さらに高圧では電極表面を高密度CO2が覆い、電子状態や電荷移動特性が変化して反応経路自体が変化することを発見した。金触媒では一酸化炭素生成、スズ触媒ではギ酸生成に関わる自由エネルギー変化も明らかにされた。本成果は、高圧CO2電解による高効率カーボンリサイクルや再エネ利用化学品製造プロセス設計への新指針となる。

高効率CO2電解プロセス設計の新指針 ~圧力で生成物を制御する新原理を解明~
図1. 金(Au(110))およびスズ(Sn(100))触媒上におけるCO2還元反応経路の自由エネルギー(1/9MLは9つのCO2吸着サイトにCO2分子が1つ吸着していることを示します)。
(a) 金触媒:CO2がCOOHなどの中間体を経て一酸化炭素(CO)へ変換されます。
(b) スズ触媒:CO2がHCOO中間体を経てギ酸(HCOOH)へ変換されます。縦軸の「Gibbs自由エネルギー」は反応の進みやすさを表す指標で、値が低いほどエネルギー的に安定であり、反応が進みやすいことを意味します。

<関連情報>

高圧下における非単調なCO2還元選択性:濃度駆動領域から電荷移動制御へ Non-Monotonic CO2 Reduction Selectivity under High Pressure: From Concentration-Driven Regime to Charge-Transfer Regulation

Xishuo Zhang,Kazuyuki Iwase,Ryusei Takayanagi,Yusuke Hashimoto,and Takaaki Tomai
ACS Catalysis  Published: May 15, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.6c00443

Abstract

Achieving high electrochemical activity together with precise control over product selectivity remains a central challenge in the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR). Operating under elevated pressure has been recognized as an effective approach to increase CO2 concentration at the electrode interface and enhance CO2RR rates. However, the intrinsic mechanisms by which pressure governs reaction pathways in CO2 electroreduction remain poorly understood. To clearly highlight the pressure effect, we employ high-pressure conditions up to 20 MPa. High-pressure electrochemical experiments combined with density functional theory (DFT) calculations are employed to systematically investigate the pressure-dependent behavior of CO2RR on Au and Sn catalysts. Experimentally, increasing CO2 pressure from 5 to 15 MPa significantly enhances the overall reaction activity due to improved CO2 solubility and driving the system into a concentration-driven regime. At higher pressure (20 MPa), however, Au exhibits a non-monotonic response with a decline in CO selectivity, whereas Sn maintains a continuous enhancement toward formate (HCOO). Theoretical analysis reveals that high CO2 surface coverage at elevated pressure induces the reduction of the electron gain per CO2 molecule, leading to the enhancement of the C−O bond strength. Because of coverage-dependent changes in the stability and reaction barriers of key intermediates, the *COOH → *CO pathway on Au becomes unfavorable, while the *HCOO → HCOO/HCOOH pathway on Sn becomes favorable. These results demonstrate that, beyond concentration-driven enhancement effects, coverage-induced electronic effects play a decisive role in regulating CO2RR selectivity under sufficiently high-pressure conditions.

0505化学装置及び設備
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