ナノテク情報

安全・一般

温室効果ガスを光照射で水素や化学原料に変換 ~高性能な光触媒を開発~

 東京工業大学,国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS),高知工科大学,九州大学,静岡大学および国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年1月28日,東京工業大学の宮内 雅浩教授,NIMSの阿部 英樹主席研究員,高知工科大学の藤田 武志教授,九州大学の松村 晶教授,静岡大学の福原 長寿教授らの共同研究グループが,メタンの二酸化炭素改質反応を低温で起こすことが出来る光触媒の開発に成功した,と発表した.本研究はJST戦略的創造研究推進事業CREST研究領域「多様な天然炭素資源の活用に資する革新的触媒と創出技術」の一環として行われ,研究成果はNature Catalysis誌にオンライン掲載された(注).

 近年,地球温暖化の原因物質とされる二酸化炭素(CO2)の資源化に関心が寄せられている.その技術のひとつに,CO2をメタン(CH4)と反応させて水素と一酸化炭素(CO)からなる合成ガスを得る手法(CH4 + CO2 → 2CO + 2H2,ドライリフォーミング)がある.合成ガスはアルコール,ガソリンおよび各種の化学製品の合成に有用な化学原料であり,温室効果ガスであるCH4とCO2の有効利用と地球温暖化抑止のために役立つ技術と期待される.しかし,これまでのドライリフォーミングは,800℃以上の加熱が必要とされ,加熱による触媒の凝集や炭素析出による触媒劣化が激しく実用化には至っていなかった.

 本研究で開発された触媒は,数10nmの大きさのチタン酸ストロンチウム(STO)を支持体とし,1~2nmほどの金属ロジウム(Rh)を担持させた複合体である.この触媒は光触媒として作用し,紫外線を照射してCH4とCO2を反応させると,加熱せずとも50%を超える転換率を示す.従来型の熱反応触媒で同等の転換率を得るには,500℃以上の加熱が必要という.本触媒を用いる反応は,COとH2の生成速度が原料消費速度の2倍であることから,反応はほぼ化学量論的に進行し,副反応は殆ど生じていないと考えられる.熱力学的に求められる理論転換率の上限は反応温度に依存し,開発された光触媒の転換率はおおよそ,100℃で50%,450℃で70%である.これに対し,従来の熱反応触媒は,100℃から250℃の範囲ではほぼ0%で反応は進まず,450℃でも55%程度に過ぎない.電子スピン共鳴法の解析から,光照射で生じた正孔と電子が,STO表面でCH4の酸化,Rh表面でCO2還元をそれぞれ駆動していることが分かった.開発された触媒は長期にわたり安定で,電子顕微鏡観察によると,12時間反応させた後でも形態に変化は見られない.一方,従来の熱反応触媒は5時間の反応で,表面に触媒劣化の原因となるカーボンチューブの析出が観察されている.

 これまでの光触媒は,水中の水素イオンが反応媒体となって反応を駆動するが,本開発の光触媒は,水の存在しない状態でSTO格子内酸素イオン(O2-)が媒体となり反応を駆動する新しい反応であり,さまざまな炭素資源を利用する気相反応への展開が期待される.研究グループは,今後,可視光に有効な光触媒材料を開発し太陽光の利用効率向上を目指したいとしている.

(注)S. Shoji, X. Peng, A. Yamaguchi, R. Watanabe, C. Fukuhara, Y. Cho, T. Yamamoto, S. Matsumura, M. Yu, S. Ishii, T. Fujita, H. Abe, and M. Miyauchi, "Photocatalytic uphill conversion of natural gas beyond the limitation of thermal reaction systems", Nature Catalysis, (2020), DOI: 10.1038/s41929-019-0419-z; Published: 27 January 2020