イオン・電⼦混合伝導体によるCO2還元反応の加速効果 −資源制約を考慮した⾼性能酸素キャリア材料の設計と合成−

2026-06-11 東京科学大学

東京科学大学と三菱電機の研究グループは、ケミカルルーピングによるCO2還元反応を高効率化する新たな酸素キャリア材料を開発した。レアアースや貴金属を用いず、鉄を置換したチタン酸カルシウム(CTFO)に着目し、そのイオン・電子混合伝導性を活用することで、CO2を有価物である一酸化炭素(CO)へ効率的に変換できることを示した。実験では、CTFOを担体とした酸化鉄複合粒子が、従来の酸化物イオン伝導体であるイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や絶縁体アルミナを上回るCO2還元速度を示した。解析の結果、CTFO内部の酸素空孔と電子の移動、さらに鉄の酸化反応が界面で協調的に作用し、CO2の解離と還元を促進することが判明した。これにより低温域から高い反応性を実現し、カーボンリサイクルに必要なCO製造の効率向上に道を開いた。本成果は、資源制約を考慮した持続可能な酸素キャリア設計の指針となるとともに、カーボンニュートラル実現に向けたCO2資源化技術の発展に貢献すると期待される。

イオン・電⼦混合伝導体によるCO2還元反応の加速効果 −資源制約を考慮した⾼性能酸素キャリア材料の設計と合成−
図1. (a)ケミカルルーピングCO2還元システムの概念図と(b)鉄置換チタン酸カルシウム(CTFO)によるCO2還元反応加速機構のイメージ図

<関連情報>

混合イオン伝導体と電子伝導体を用いた化学ループ式CO2分解における金属酸化物酸化還元反応の協調的促進 Cooperative enhancement of the metal oxide redox reaction in chemical looping CO2 splitting using a mixed ionic and electronic conductor

Takayuki Kosaka, Arufa Shiota, Junichiro Otomo
Chemical Engineering Journal  Available online: 20 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176455

Highlights

  • Fe-doped CaTiO3 was investigated as a support of Fe in chemical looping.
  • Fe oxidation by CO2 was enhanced with Fe-doped CaTiO3.
  • 100% CO selectivity was confirmed by a fluidized bed reactor.
  • The enhancement is attributed to mixed ionic and electronic conductivity.
  • Concentration of electron and oxygen vacancy may be related to the rate constants.

Abstract

Chemical looping CO2 splitting reduces CO2 to CO in an oxidation reaction coupled with a subsequent reduction reaction of metal oxides. This study demonstrated that calcium titanate (CaTiO3), a non-rare earth perovskite that exhibits mixed ionic and electronic conductivity on substitution of Ti by Fe, substantially enhances CO2 splitting. Fe-doped CaTiO3 exhibits high electronic conductivity (10–1.2 S cm−1 at 900 °C) and ionic conductivity (10–1.8 S cm−1 at 900 °C) at the oxygen partial pressure at which CO2 splitting by Fe oxidation occurs (pO2 = 10−17–10−16 atm). Kinetic analysis showed that Fe-doped CaTiO3 enhances CO2 splitting more effectively than a pure oxide ion conductor or an insulator. This is attributed to the cooperative effects of metal oxidation and the high ionic and electronic conductivities of the support at pO2 = 10−17–10−16 atm, as well as oxide ion and electron conduction at the metal–support interface. The increase in the concentration of electron as well as oxygen vacancy on the substitution of Ti in CaTiO3 by Fe likely contributes to the increase in the kinetic constant of CO2 splitting. These findings provide insights into the design of support materials and metal redox reactions.

0505化学装置及び設備
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