スズとグラフェンの界面を利用した二酸化炭素を高効率に還元する新しい触媒を開発

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二酸化炭素からの化成品合成技術の加速へ

2021-03-04 金沢大学,筑波大学,大阪大学,科学技術振興機構

金沢大学 理工研究域 機械工学系の辻口 拓也 准教授、ナノ生命科学研究所の髙橋 康史 教授、大阪大学 大学院基礎工学研究科の大戸 達彦 助教、筑波大学 数理物質系 伊藤 良一 准教授らの共同研究グループは、二酸化炭素(CO)の電気化学還元によるギ酸の合成プロセスにおいて酸化還元グラフェンとスズ(Sn)との界面を活用することで高効率にギ酸を合成すること、さらにその反応メカニズムの解明に成功しました。

COと再生可能エネルギー由来の電気を用いてエネルギーキャリアであるギ酸を合成するプロセスは、工場などから排出されるCOの資源化・再利用技術として注目を集めていますが、ギ酸の合成効率にはいまだに改善の余地が大きく残されています。特に、このプロセスに用いる触媒には、原料であるCOを効率的に連続供給する触媒担体が必要だとされています。

本研究では、COを効率良く吸着する担体として酸化還元グラフェン(rGO)に注目し、これを扱いやすいスズ触媒の担体として利用しました。このSn/rGO触媒と従来のSn触媒を比較すると、担体導入によってCO吸着量が4倍程度向上しました。触媒活性サイトを直接イメージングにより可視化できる走査型電気化学セル顕微鏡により、触媒と担体が隣接している箇所において、担体に吸着したCOが連続的に触媒へ供給されることで触媒と担体が隣接している箇所で多くのギ酸が合成されている様子の可視化に世界で初めて成功しました。この効果により、提案した触媒では従来の触媒と比較して担体を導入しただけで1.8倍のギ酸合成効率が得られました。これらの知見はギ酸のみならずCO吸着を反応の初期ステップとして共有しているメタンやメタノール、オレフィンにも適用できる可能性があると期待され、COの電解還元によって合成される全ての化成品の触媒活性の向上にもつながり、CO電気化学還元による有用な化成品製造プロセスの基盤技術になると期待されます。

今後、本研究成果を起点に、時間的変動や地域偏在性の大きい再生可能ネルギー由来の電力を、地球温暖化防止の観点から効率的な利活用が求められるCOを用いてギ酸に変換して輸送・貯蔵する技術の確立に結びつけることで、エネルギー問題と地球温暖化問題の解決に大いに貢献することが期待されます。

本研究成果は、2021年3月2日(米国時間)に米国化学会誌「ACS Catalysis」のオンライン版に掲載されました。

本研究は、下記の研究課題の一環として行われました。

  • 科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「電子やイオン等の能動的制御と反応」研究領域(研究総括:関根 泰)研究課題「ナノスケールの電気化学イメージング技術の創成」(研究者:髙橋 康史(金沢大学 教授))(JPMJPR18T8)
  • 文部科学省 科学研究費補助金「新学術領域研究(次世代物質探索のための離散幾何学)」(JP20H04628、JP20H04639、JP17H06460(steering group))
  • 日本学術振興会 科学研究費助成事業「若手研究A」(JP15H05422)、「若手研究」(JP15H05422、JP18K14174、JP19K15505)、「基盤研究B」(JP18H01774)、「基盤研究A」(JP19H00915)
  • 東北大学CRDA-IMR(20G0002)
  • 文部科学省「世界トップレベル研究拠点プログラム」(WPI)

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Acceleration of Electrochemical CO2 Reduction to Formate at the Sn/Reduced Graphene Oxide Interface”
(Snと酸化還元グラフェン界面におけるCO電気化学還元によるギ酸合成反応の加速)
DOI:10.1021/acscatal.0c04887
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
辻口 拓也(ツジグチ タクヤ)
金沢大学 理工研究域 機械工学系 准教授

伊藤 良一(イトウ ヨシカズ)
筑波大学 数理物質系 准教授

<電気化学イメージに関すること>
髙橋 康史(タカハシ ヤスフミ)
金沢大学 ナノ生命科学研究所 教授

<計算化学に関すること>
大戸 達彦(オオト タツヒコ)
大阪大学 大学院基礎工学研究科 助教

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
金沢大学 理工系事務部 総務課 総務係
野口 美雪(ノグチ ミユキ)

金沢大学 ナノ生命科学研究所 事務室
米田 洋恵(ヨネダ ヒロエ)

筑波大学 広報室

大阪大学 大学院基礎工学研究科 庶務係

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