CO2 をエチレンに効果的に転換する経路を発見

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(From CO2 to Ethylene — UCLA and Caltech Researchers Discover Effective Pathway to Convert Greenhouse Gas into Valuable Products)

2020/9/16 アメリカ合衆国・カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)

・ UCLA とカリフォルニア工科大学(Caltech)が、CO2 をエチレンに効率的に変換する新を開発。
・同技術では、特殊な形状の表面を持つ銅ナノワイヤの触媒が温暖化ガスを低減しながら高付加価値のエチレンを生成。コンピューターによる調査により、水素やメタンよりもエチレン生成の促進が優先されることを確認。
・ エチレンは世界で年間 1 億 5 千 8 百万トンが生産され、その大部分はプラスチック容器で使用されるポリエチレンに転換されている。
・ エチレン生成の化学反応の触媒に銅を利用するアイデアは新しいものではないが、工業生産に通用する反応速度の達成が重要。今回の統合的実験と理論分析は、そのような到達水準と CO2 の利用およびアップサイクリング実現への持続可能な経路であると考える。
・ 銅によるエチレンへの CO2 還元では、最初の触媒反応において不要な水素とメタンが生成されることと、エチレンの生成が長続きせずプロセスの進行に伴って効率性が低減するという 2 つの課題がある。
・ 今回、銅ナノワイヤ表面に高活性の原子スケールの「階段」のデザインを施し、これらの課題に対処した。ナノワイヤ表面のこれらの階段パターンは、通常では高エネルギーで消滅すると考えられるが、反応条件下において形状を安定して維持。これにより、エチレン生成における耐久性と選択性を獲得した。
・ CO2 からエチレンへの転換率 70%超を実証(以前のデザインでは同様の条件下で少なくとも 10%低かった)。変換効率の低下がほとんどなく、200 時間継続して作動。銅ベースの触媒では飛躍的な進歩となる。さらに、構造と機能の相関性の包括的な理解が、より高選択・高耐久の CO2 還元触媒設計の新視点を提示する。
・ 本研究は、米国海軍研究局(ONR)、米国エネルギー省(DOE)、米国立科学財団(NSF)が支援した。また、韓国研究財団(NRF)、アーバイン材料研究所(IMRI)および ExxonMobil が追加的な支援を提供した。
URL: https://samueli.ucla.edu/from-co2-to-ethylene/

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature Catalysis 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Highly active and stable stepped Cu surface for enhanced electrochemical CO2 reduction to C2H4
URL: https://www.nature.com/articles/s41929-020-00504-x

Abstract

Electrochemical CO2 reduction to value-added chemical feedstocks is of considerable interest for renewable energy storage and renewable source generation while mitigating CO2 emissions from human activity. Copper represents an effective catalyst in reducing CO2 to hydrocarbons or oxygenates, but it is often plagued by a low product selectivity and limited long-term stability. Here we report that copper nanowires with rich surface steps exhibit a remarkably high Faradaic efficiency for C2H4 that can be maintained for over 200 hours. Computational studies reveal that these steps are thermodynamically favoured compared with Cu(100) surface under the operating conditions and the stepped surface favours C2 products by suppressing the C1 pathway and hydrogen production.

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