CO2からの燃料製造にブレークスルー
18.09.2018
Credit: PNAS
コロンビア大学の研究チームは、表面増強ラマン分光法（SERS）を用いて、電極 - 電解質界面でCO2が活性化されるプロセスを調べ、太陽エネルギーでCO2から燃料を製造する（人工光合成）触媒設計を試行錯誤のパラダイムから合理的なアプローチにシフトさせ、代替可能で安価で安全かつ貯蔵可能な再生可能エネルギー普及につながる技術を開発した（Chernyshova et al., PNAS online Aug. 17, 2018）。
これまで空気中に豊富に存在するCO2を化学物質や燃料などの有用製品に変換する方法は長い間研究されてきた。 1869年に電気化学的にCO2をギ酸に変換することに成功して以来、過去20年間で、地球大気中のCO2の増加はCO2転換に関する研究を大幅に加速した。再生可能エネルギーを安全かつ低コストで蓄える方法が不可欠となったからである。
電気化学的還元反応の鍵となる第一中間体
最近の電気化学的CO2転換の研究は、CO2を原料とし、再生可能エネルギーで、さまざまなタイプの燃料とエチレン、エタノール、プロパンなどの付加価値化学物質を合成する方法に及ぶ。しかし、これらの反応の第一段階であるCO2活性化、すなわち触媒表面でのCO2分子の挙動はよくわかっていない。その構造が反応の最終生成物とエネルギーコストの両方を決定するので、活性化されたCO2の正確な構造を知ることは不可欠である。
この反応は複数の初期段階から始まり、多くの経路を経て、典型的には生成物の混合物を与える。科学者がプロセスの仕組みを理解すれば、特定の経路を選択的に促進または阻害することができ、商業的に実行可能な触媒の開発につながる。研究チームは、CO2還元プロセスの最初のメカニズムを解決したと発表した。
CO2の還元反応は、一般的に考えられているように、2つではなく1つの共通の中間体で始まる。研究チームは、CとO原子で表面に結合したカルボキシレートの還元反応の第一中間体の構造を同定するために実験的および理論的アプローチを連携した。表面増強ラマン散乱（SERS）と量子化学的モデリングによってブレークスルーがもたらされた。
第一反応中間体の特定に成功
研究チームは、電極上の電極 - 電解質界面で形成された化学種の振動スペクトルを、量子化学シミュレーションと組み合わせて電極 - 電解質界面でCO2がどのように活性化されるかを解明した。
第一反応中間体の性質を理解することは、有用な化学物質への電気化学的CO2転化の商業化への重要なステップである。
電気分解および光触媒作用（いわゆる人工光合成）は、再生可能エネルギーの有効な貯蔵を達成する最も有望な方法の1つである。 CO2の電気還元は、光合成との類似性のために150年以上にわたり研究されてきた。植物が太陽光を化学エネルギーに変換するのと同様に、触媒は再生可能エネルギーをCO2の還元生成物に化学エネルギーとして貯蔵できる。
150年後のブレークスルー
人類は産業革命以来、地球環境の悪化に貢献してきたが、ようやく自然の女神である太陽エネルギーを有効に使って、環境清掃とエネルギー資源獲得を両立させることになりそうだ。もちろんエネルギー産業全体を変革するには、開発研究は継続しなければならない。そのためには複雑な還元プロセスの理解が必要不可欠で、150年にわたる解明の努力が結実したことで加速することは間違いない。
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