プラズマで二酸化炭素の還元反応効率を向上させる技術、東工大などが開発

東京工業大学(東工大)、北海道大学(北大)、科学技術振興機構(JST)の3者は7月22日、二酸化炭素(CO₂)の還元反応の効率を「非平衡プラズマ技術」によって大きく促進することに成功したことを発表した。

同成果は、東工大工学院機械系の野崎智洋教授、同・キム・デヨン大学院生、北大触媒科学研究所の古川森也准教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国化学会が刊行する機関学術誌「Journal of the American Chemical Society」にオンライン掲載された。

CO₂などを有用物質に転換する技術の研究が進むが、CO₂を用いた反応においては、その対称性の高い直線状構造がエネルギー的に安定で変化させづらいため、大きな障壁となっている。

一方、CO₂を振動励起させると、分子内の電子の状態が変化して反応性が高まることが知られており、それをCO₂転換技術へ活用する研究が進められているが、現時点では原理検証にとどまっており、実用化への道筋を示すには至っていないという。

そこで研究チームは今回、プラズマを使ってCO₂を選択的に振動励起する技術と、触媒の開発に取り組むと同時に、それらを組み合わせた新たな反応系を開拓することにしたとする。プラズマを形成するためには電気エネルギーを利用するため、再生可能エネルギーを直接活用することも可能だという。

今回開発された実験系では、反応管内にCO₂と水素(H₂)の混合ガスを流通させ、高電圧を加えることでプラズマを発生させる仕組みが採用された。また、今回の反応に用いたPd₂Ga/SiO₂合金触媒粒子が、下部から送られるガスによって懸濁浮遊した状態になる(流動層)ことが大きな特徴だという。

このような装置設計にした背景には、CO₂の還元プロセスが吸熱過程であることが挙げられるという。つまり、プラズマによって反応を促進するほど熱エネルギーの供給が必要となり、それが追いつかなくなると反応が停止してしまうからである。そこで今回の実験装置は熱物質輸送能を高め、プラズマ生成活性種と熱流のフラックスを増強することで、熱平衡を超えるCO₂転換反応の実証ができるよう設計が行われたとする。