安価な青色顔料触媒でCO2をガス燃料メタンに高効率変換する手法を実現 ―CO2のワンステップでの再燃料化技術に道―

2026-08-04 東北大学

東北大学は、安価な青色顔料である銅フタロシアニンを電極触媒として用い、二酸化炭素(CO2)を電気化学的にガス燃料のメタン(CH4)へ高効率・高選択的に変換する技術を開発した。CO2電解還元(ECR)は再生可能エネルギーを利用したカーボンリサイクル技術として期待される一方、従来は反応選択率や生成物の分離精製が課題だった。本研究では、最大約80%のファラデー効率と約80時間の耐久性を達成し、さらに理論計算によって触媒構造と反応経路の関係を解明した。従来困難だったCO2からメタンへのワンステップ再燃料化の実現に道を開く成果であり、CO2有効利用(CCU)や脱炭素社会を支える次世代燃料製造技術としての発展が期待される。本研究は東北大学、北海道大学、AZUL Energy株式会社などの共同研究で、学術誌『Small』に掲載された。

安価な青色顔料触媒でCO2をガス燃料メタンに高効率変換する手法を実現 ―CO2のワンステップでの再燃料化技術に道―
図1. 銅フタロシアニンを担持したカーボンの模式図(左図)とCO2→CH4変換の触媒性能(右図、最大電流密度と最大ファラデー効率)。

<関連情報>

電気触媒的CO₂メタン化におけるCu–N–C分子触媒の構造依存的性能の解明 Unraveling Structure-Dependent Performance of Cu–N–C Molecular Catalysts for Electrocatalytic CO2 Methanation

Tengyi Liu, Xiaofan Hou, Songbo Ye, Kosuke Ishibashi, Yutaro Hirai, Yasutaka Matsuo, Shimpei Ono, Hao Li, Hiroshi Yabu
Small  Published: 02 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/smll.75041

ABSTRACT

High-rate CH4 electrosynthesis offers a promising strategy for converting CO2 into energy-dense fuels compatible with existing natural gas infrastructure. Cu–N–C molecular catalysts with well-defined Cu–N4 sites show strong potential for CO2-to-CH4 production, yet the role of the macrocyclic backbone remains unclear. Herein, we compare two representative Cu–N–C molecular catalysts, copper phthalocyanine (CuPc) and copper tetraphenylporphyrin (CuPr), to clarify how the macrocyclic backbone influences CO2-to-CH4 electrocatalysis. When supported on conductive carbon and integrated into gas-diffusion electrodes, CuPc markedly outperforms CuPr, achieving a CH4 Faradaic efficiency of 79.5%, a high partial current density of −575 mA cm−2, a mass activity of 19 166.7 A g−1, and stable operation for over 80 h at −150 mA cm−2. Characterization results suggest that the Pc-macrocyclic backbone modulates the electronic structure of the Cu center and interfacial charge-transfer behavior, possibly through its extended π-conjugated Pc-ring and bridge-N environment. Theoretical calculations reveal a favorable CH4-forming pathway on the CuPc/C model, with a lower free-energy barrier for the potential-determining step than that reported for CuPr, suggesting facilitated CH4 formation. These findings indicate that the macrocyclic backbone can regulate reaction pathways and intermediate adsorption energetics, providing mechanistic insight and design guidance for molecular catalysts for CO2-to-CH4 electroreduction.

0505化学装置及び設備
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