火炎を用いて高性能CO2メタネーション用触媒のワンステップ合成を実現 ー大規模CO2メタネーションの社会実装に向けてー

2026-07-31 東京科学大学

東京科学大学と名古屋大学、高輝度光科学研究センターの共同研究チームは、火炎補助式噴霧熱分解法(FASP)を用いて、CO₂メタネーション用の高性能ニッケル/酸化セリウム(Ni/CeO₂)触媒をワンステップで合成する技術を開発した。従来の含浸法は多工程で大量生産に不向きだったが、本手法では火炎中に前駆体溶液を噴霧し、高温・高速反応により10~20nm程度の微細で均一な粒子を連続的に形成できる。得られた触媒は比表面積が約15倍、Ni分散度が約7倍向上し、CO₂メタネーションでは400℃付近で熱力学的平衡に近い高いメタン収率を達成した。XPSおよびSPring-8でのXAFS解析により、NiとCeO₂の界面増加、酸素空孔の増加、還元Niの増加が高活性化の要因であることを解明した。さらに、近年報告されたNi/CeO₂触媒と比較してもトップレベルの性能を示し、連続プロセスによる大量生産にも適していることから、CO₂資源化や合成メタン製造の低コスト化を通じて、カーボンニュートラル社会の実現に貢献する技術として期待される。

火炎を用いて高性能CO2メタネーション用触媒のワンステップ合成を実現 ー大規模CO2メタネーションの社会実装に向けてー
図1. 従来法と火炎補助式噴霧熱分解法(FASP)の比較

<関連情報>

火炎補助噴霧熱分解法によるCO₂メタン化用微細構造Ni/CeO₂触媒の一段階合成 One-step synthesis of Ni/CeO2 catalyst with fine structure for CO2 methanation by flame-assisted spray pyrolysis

Kosei Okada, Tsuyoshi Nagasawa, Hiroki Yamada, Toshiaki Ina, Maki Nakamura
Fuel  Available online: 8 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.fuel.2026.140563

Highlights

  • Ni/CeO2 catalysts are made by flame-assisted spray pyrolysis (FASP) in one-step.
  • FASP-made catalyst is primarily composed of fine particles measuring 10–20 nm.
  • FASP improves specific surface area and Ni dispersion than impregnation method.
  • Small NiO clusters in FASP-catalysts provide abundant Ni-CeO2 interfacial sites.
  • FASP-made catalyst shows superior CO2 methanation activity at 300–400℃.

Abstract

CO2 methanation is attracting attention as a synthetic fuel manufacturing process using hydrogen from renewable energy. The large-scale implementation of methanation in society requires the development of high-performance, stable catalysts and the establishment of methods for their mass production. In this study, Ni/CeO2 catalyst is prepared using flame-assisted spray pyrolysis (FASP), which is a one-step and rapid process for producing fine particles, and the detailed particle structure and CO2 methanation performance are evaluated. The results are also compared with those of catalysts prepared by the conventional impregnation method (IM). The FASP catalyst consists mainly of particles ranging from 10–20 nm in size, with some particles reaching several hundred nanometers, while IM catalyst consists of micrometer-sized CeO2 particles with approximately 30 nm-Ni particles on the surface. The FASP catalyst also shows higher specific surface area and Ni dispersion than the IM catalyst. Furthermore, XAFS, XPS, and H2-TPR analyses suggests that FASP promotes the formation of oxygen vacancies, Ni-O-Ce interfacial sites, and reduced Ni species. In CO2 methanation tests, the FASP catalyst exhibits higher CO2 conversion and CH4 selectivity than the IM catalyst, achieving a CH4 production rate of 81.3 µmol/(gcat·s) at 300 °C, which is high-level among the literature values. These suggest that the fine particle structure, abundant oxygen vacancies and reduced Ni species, and increased Ni-CeO2 interfaces formed by FASP contribute to the enhanced catalytic activity. This study demonstrates that FASP is a promising method for the simple production of highly active CO2 methanation catalysts with fine structure.

0505化学装置及び設備
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