研究 (Research)
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低温での二酸化炭素再資源化を可能にする新触媒技術の開発 (Development of advanced catalytic technology for utilization of carbon dioxide at low temperature)
准教授 桒原 泰隆、教授 山下 弘巳 （工学研究科 マテリアル生産科学専攻） KUWABARA Yasutaka , YAMASHITA Hiromi(Graduate School of Engineering)
研究の概要
二酸化炭素(CO2)は地球温暖化の主たる原因物質とされており、世界規模でその排出量削減に向けた取り組みが行われています。一方で、CO2を還元することによって得られる一酸化炭素(CO)は、アルコールやガソリン、ジェット燃料などの液体炭化水素の原料となる有用な化学原料です。CO2を水素(H2)と反応させてCOを得る反応（逆水性ガスシフト反応）には、従来500℃以上の高温が必要とされており、低温では低い反応率しか得られず非効率という課題がありました。山下研究室では、モリブデン酸化物に白金（Pt）ナノ粒子を担持した触媒を用いると、従来よりも低い140℃という低温でもCO2とH2からCOを高効率かつ選択的に得られることを見出しました。さらに興味深いことに、触媒に光を照射すると反応速度が向上することを見出しました。
研究の背景と結果
CO2は地球温暖化の主たる原因物質とされており、世界規模でその排出量削減に向けた取り組みが行われています。わが国でも、2050年までにCO2を含む温室効果ガスの実質排出ゼロの実現が目標に掲げられており、CO2を炭素資源と捉えて回収し、有用物質へと再利用する技術（CO2回収利用）の開発が求められています。CO2を還元することによって得られるCO は、アルコールやガソリン、ジェット燃料などの液体炭化水素の原料となる有用な化学原料です。CO は工業的には、コークスや天然ガスに含まれるメタンガスと水蒸気とを800℃以上の高温で反応させることで製造されています。CO2を効率よくCO に変換することができれば、CO2排出量削減と有用化学原料の製造を同時に達成することができ、地球温暖化と化石資源の枯渇の問題に貢献できると期待されています。しかし、CO2をH2と反応させてCO を製造する反応（逆水性ガスシフト反応、反応式：（CO2 + H2 = CO + H2O）には従来500℃以上の高温が必要とされており、低温では平衡制約により低い反応率しか得られず非効率という課題がありました。当研究室では、モリブデン酸化物に白金（Pt）ナノ粒子を担持した触媒をCO2の水素化反応に用いると、従来よりも低い140℃という低温でも有用なCO が高効率かつ選択的に生成されることを見出しました。さらに興味深いことに、触媒に光を照射すると反応速度が飛躍的に向上することを見出しました。特に、厚さ40 nm 程度のナノシート状のモリブデン酸化物にPt ナノ粒子を固定化した触媒では、粒子状のモリブデン酸化物を用いた場合に比べて約1.5倍程度のCO 生成速度が得られ、可視光を含む光照射下では1.2mmol/g/h の反応速度でCO を生成することができました。本研究成功の鍵は、モリブデン酸化物をPtナノ粒子と組み合わせることで、i）活性サイトとなる酸素欠陥の形成をうまく制御できた点、（ii）モリブデン酸化物の色が変化し、表面プラズモン共鳴に基づく可視光吸収特性を示した点、にあります。
研究の意義と将来展望
当研究室の開発した触媒は、調製が簡便である、分離・回収の容易な固体触媒である、廃熱を利用可能な低温（140℃付近）でも駆動する、など実用化に不可欠な基盤要素を兼ね備えています。さらに、触媒に可視光を照射することで、反応速度が向上するという特徴を有しています。本技術は、今後ますます排出量削減が迫られるCO2を工業的に有用な物質へと変換するためのクリーンな触媒技術として期待されます。
担当研究者
准教授 桒原 泰隆、教授 山下 弘巳 （工学研究科 マテリアル生産科学専攻）
キーワード
CO2回収利用／CO2再資源化／モリブデン酸化物／表面プラズモン共鳴
応用分野
触媒化学／石油化学／カーボンニュートラル