触媒と反応を同時に探す新手法「反応探索」を実証 ―メタン転換で100万点規模のデータから未知反応の芽を発見―

2026-07-09 北陸先端科学技術大学院大学,科学技術振興機構

北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)と物質・材料研究機構(NIMS)の研究チームは、触媒と反応条件を同時に探索する新たな研究手法「反応探索(Catalyst and Catalysis Co-exploration)」を、メタン転換反応で初めて実証した。研究では、メタン・酸素・二酸化炭素からなる広大な反応空間を対象に、200種類の触媒と50種類の反応条件をハイスループット実験で評価し、生成物を限定しない質量分析によって100万点規模のデータを取得した。その結果、触媒ごとに最適な反応条件が大きく異なることが判明し、従来の既知反応に基づく探索では到達できなかった30%超のC2炭化水素収率や、ほぼ100%の水素収率を達成した。さらに、1-ブテンや1,3-ブタジエン、ベンゼンなど、従来は探索対象とされなかった生成物も検出され、未知の触媒反応の可能性が示された。本成果は、「反応を決めて触媒を探す」従来型研究から、「触媒と反応を同時に探す」研究への転換を示すものであり、今後は機械学習との融合により、カーボンニュートラル社会を支える革新的触媒プロセスの効率的な発見が期待される。

触媒と反応を同時に探す新手法「反応探索」を実証 ―メタン転換で100万点規模のデータから未知反応の芽を発見―
図1 CH4-O2-CO2三元系における反応探索の概念。

<関連情報>

メタン転換における触媒と反応の同時探索 Catalyst and Catalysis Co-Exploration in Methane Utilization

Patchanee ChammingkwanRanjithkumar P. Manchan,Tomoya Nagai,Poulami Mukherjee,Taiyo Kaneuchi,Ryo Tamura,and Toshiaki Taniike
ACS Catalysis  Published: July 8, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.6c03318

Abstract

Conventional catalyst development is typically confined to reaction-centric approaches, in which catalyst performance is evaluated under fixed feed compositions targeting a single desired product. Such strategies overlook the complexity of multicomponent reaction environments, where multiple competing pathways can emerge. Here, we present a high-throughput approach that enables the simultaneous exploration of catalyst composition and reaction conditions, using methane conversion as a representative system. Methane transformation was systematically investigated over a library of 200 catalysts across a broad CH4−O2−CO2 feed compositional space, without imposing predefined reaction targets or stoichiometric constraints. Product formation was monitored using unbiased full mass-scan analysis, allowing hydrocarbons, syngas components, and minor products to emerge directly from the data. Moving beyond conventional benchmarks, optimal performance frequently arises at feed compositions that deviate significantly from the stoichiometric ratios of established methane reactions. Expanding the accessible reaction space not only enhances attainable yields but also reveals high-performing catalysts that would remain unrecognized under fixed-condition evaluation. The results further demonstrate that catalytic performance arises from coupled catalyst–condition interactions, rather than intrinsic material properties assessed at a single feed condition.

0505化学装置及び設備
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