希薄な二酸化炭素を捕捉して資源化できる新触媒の発見 低濃度二酸化炭素の直接利用に道

要点

• レニウム（Re）の錯体を用いた低濃度二酸化炭素（CO₂）の還元反応系を開発
• Re錯体が捕集したCO₂を、電気エネルギーで一酸化炭素（CO）へと変換
• 工場等からの排ガスに含まれる程度の低濃度CO₂を高効率に還元可能

概要

東京工業大学 理学院 化学系の熊谷啓特任助教、西川哲矢大学院生（当時）、石谷治教授らは、二酸化炭素（CO₂）を捕集する機能を持つレニウム（Re）の錯体が、低濃度のCO₂を還元することができる電気化学触媒^[用語1]として機能することを発見した。

石谷教授らの研究チームは、ある種のレニウム錯体が、高いCO₂捕集機能と、CO₂を電気化学的に還元する触媒機能を合わせ持っていることを見出した。今回、このレニウム錯体を触媒として用い、低濃度CO₂をそのまま還元できる電気化学的システムの開発を目指した。その結果、1%しかCO₂を含まないガスでもCO₂を効率よく還元でき、一酸化炭素（CO）を高い効率と選択性で生成することができた。COは化学原料として有用で、水素と反応させることで人造石油を合成することができる。今回の発見により、火力発電所や製鉄所から排出される低濃度のCO₂を含んだ排ガスを、効率的に直接資源化できる可能性が出てきた。

研究成果は2018年11月12日（英国時間）、英国王立化学会誌「Chemical Science」オンライン版に掲載された。

研究成果

石谷教授らの研究チームは、科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業（CREST「新機能創出を目指した分子技術の構築」）の支援を得て、CO₂を捕集する性質を持つレニウム錯体が、低濃度のCO₂を還元する電気化学触媒として機能することを見出した。この錯体は、CO₂を低濃度しか含んでいないガスから高い効率でCO₂だけを捕集する機能を持っていた。捕集されたCO₂は、炭酸エステル^[用語2]として錯体に固定化される（図1）。このCO₂を捕集したレニウム錯体を電気化学触媒とすることで、低濃度CO₂でもそのまま還元できることがわかった。例えば、1%のCO₂を含んだガスでも効率よく還元でき、24時間の反応でCOを選択率^[用語3]94%、ファラデー効率^[用語4]85%という高い効率で生成できた（図2）。

背景

化石資源を燃焼させる際に排出されるCO₂を、電気エネルギーで還元する反応は、排出CO₂削減と資源の創出の両観点から国内外で精力的に研究されている。しかし、従来の研究のほとんどは、純粋なCO₂を用いて開発が行われている。しかし、火力発電所や製鉄所、セメント製造工場などから出る排ガスにはCO₂が数%から十数%しか含まれていない。そのため、従来技術では大量のエネルギーが必要なCO₂の濃縮過程が必要だった。そこで、実際に排出される希薄な濃度のCO₂を含んだガスをそのまま利用して効率よくCO₂だけを還元できる方法が求められていた。

研究の経緯

石谷教授らの研究チームは、CO₂の資源化を企図した金属錯体触媒や光触媒の研究を行っている。その過程で、CO₂を効率よく捕集するレニウム錯体を見出し^{[参考文献1]}、この物質を触媒として利用してCO₂の資源化反応について検討してきた。

今後の展開

COは化学原料として有用で、水素と反応させることで人造石油を合成することができる。今回の発見により、火力発電所や製鉄所の排ガスに含まれる低濃度のCO₂を、大量のエネルギーを必要とする濃縮過程を経ずに、太陽光など再生可能エネルギーから変換した電気エネルギーで直接資源化できる可能性がでてきた。このような製造工程での省エネ化は、地球温暖化抑制にも貢献する技術だ。今後は、この新触媒のCO₂捕集能のさらなる向上やありふれた金属である卑金属錯体の利用も視野に入れて、実用的な技術へと展開させていきたい。

論文情報

掲載誌 :	Chemical Science
論文タイトル :	Electrocatalytic reduction of low concentration CO2
著者 :	Hiromu Kumagai, Tetsuya Nishikawa, Hiroki Koizumi, Taiki Yatsu, Go Sahara, Yasuomi Yamazaki, Yusuke Tamaki, Osamu Ishitani
DOI :	10.1039/c8sc04124e

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