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低温で二酸化炭素からメタノールを合成できる触媒を開発 ~カーボンリサイクルに向けた基盤的な触媒技術~

研究員,尾西 尚弥 主任研究員,省エネルギー研究部門の兼賀 量一 研究員らが,新規に設計開発した複核錯体触媒で,低温低圧の温和な条件で二酸化炭素(CO2)の水素化により,高い選択性でメタノールの合成を可能にした,と発表した.本研究は,経済産業省の「革新的なエネルギー技術の国際共同研究開発事業」,および国立研究開発法人新エネルギー産業技術総合開発機構(NEDO)の「先導研究プログラム/未踏チャレンジ2050」の支援を受けて行われ,成果は米国化学会が発行するJournal of the American Chemical Sciety誌にオンライン掲載された(注).

 2050年を目標に進められる温室効果ガス実質ゼロ化において,CO2を有用化学品に変換するカーボンリサイクル技術の開発は重要な課題である.メタノールはCO2から合成可能な基幹材料であり,以前から触媒開発が試みられている.従来の銅系固体触媒は2MPa以上の圧力で,200℃以上の高温条件が必要で,転化率や選択性が低く,詳細な触媒機構の解明も困難であった.一方,精緻な触媒設計が可能な錯体触媒も開発され,80~150℃の比較的低温でのメタノール合成も報告されているが,触媒が溶解した均一反応系であるため,生成物と触媒の分離が必要でそれが実用上の課題となっていた.

 これまで研究グループは,イリジウム触媒を使い液相でCO2の水素化を研究してきたが,CO2の水素化第一段階のギ酸が僅かに得られるのみで,目的物である第二段階のメタノールの生成には至っていなかった.本研究では,第一段階のギ酸生成が進まないのは反応平衡の制約によるものと考え,活性点となるイリジウム原子を2個有する錯体(複核触媒)を開発した.この触媒でメタノールの生成は確認できたもののその量は僅かであった.これはギ酸の水素化反応における活性点への配位が,溶媒である水分子との競争反応となるためである.この競合を避けるためイリジウム触媒を固体として用い,気相で水素とCO2を反応させたところ,30℃ 0.5MPaでも反応が進行し,水素/CO2の仕込比3:1で60℃ 4MPaにおけるメタノールの生成量は液相反応の30倍に達した.単核の触媒ではメタノールの生成は見られず,複核触媒においては二つの活性点間距離に最適値が存在する.さらに,この触媒のメタノール生成効率は高く,メタンや一酸化炭素などの副生成物は検出されない.実験は触媒と反応気体を容器に閉じ込める回分法で行われた.5回の触媒再使用では触媒性能に顕著な劣化は見られず,触媒の寿命に相当する触媒回転数は113回に達した.この触媒は連続式反応装置にも適用可能であるという.

 本成果はCO2からメタノール合成を低温低圧化するための基盤的な知見となる.今後,研究グループは,触媒のさらなる高性能化と低コスト化を目指し,メタノールの生産性を向上させる連続式プロセスの開発も進めたいとしている.

(注)Ryoichi Kanega, Naoya Onishi, Shinji Tanaka, Haruo Kishimoto, and Yuichiro Himeda, "Catalytic Hydrogenation of CO2 to Methanol Using Multinuclear Iridium Complexes in a Gas-Solid Phase Reaction", Journal of the American Chemical Society, 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11927; Publication Date: January 13, 2021