広島大学は11月27日、可視光照射により低濃度の二酸化炭素(CO2)を、有用な化学物質である一酸化炭素(CO)へ効率的かつ選択的に直接還元する光触媒システムの開発に成功したことを発表した。

同成果の詳細は、同大大学院先進理工系科学研究科の鴨川径 特任助教、石谷 治特任教授らの研究グループによるもの。詳細は、米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。

CO2を資源化するための課題

CO2を光触媒と太陽光を活用して還元し、資源化しようという手法は、大気中のCO2量の削減とエネルギー/炭素資源不足の問題を解決する手法として注目されているが、用いられる還元触媒の多くが純粋やCO2の還元を目指すものが多く、工場や発電所などの排気ガスの中からCO2だけを分離・回収するといった余分な手間と費用が発生してしまうことから、排ガス中のような数％～20％程度の低濃度CO2を直接資源化することができ、かつ高価な貴金属を用いない安価な光触媒システムの実用化が求められている。

安価なマンガン触媒でCO2からCOへの直接還元に成功

今回、研究グループでは、地球に豊富に存在するマンガンを含む金属錯体錯体と有機色素で構成される光触媒システムを構築。マンガン錯体触媒の配位子に立体的に嵩高いメシチル基を導入することで光触媒耐久性を向上させることに成功したという。

また、トリフルオロエタノール(CF3CH20H)と少量のジイソプロピルエチルアミン(DIEA)を共存させると、マンガン錯体触媒が、低濃度のCO2しか含まないガスからもCO2を効率よく捕集し分子内に取り込むことを見出したとのことで、この反応により捕集されたCO2は、今回の研究で開発された光触媒システムにおいて効率よくCOへと選択的に還元できることも確認したという。

  • マンガン錯体触媒によるCO2捕集反応

    マンガン錯体触媒によるCO2捕集反応。赤字の部分が捕集されたCO2で、開発された光触媒反応システムで効率よく還元されることが示された (出所:広島大発表資料)

実際に、マンガン錯体触媒と有機色素4DPAIPNを含む溶液に可視光を照射したところ、高い耐久性と効率でCO2 がCOへと選択的に変換されることを確認したとするほか、反応容器中のCO2濃度を10％、そして1％へと低下させても高い光触媒能を維持できることも確認したともする。

  • 有機色素4DPAIPN

    有機色素4DPAIPNの構造とさまざまなCO2濃度下での光触媒反応の結果 (出所:広島大発表資料)

なお、研究グループでは、低濃度のCO2を濃縮することなく効率的にCOへと還元できたことから、新しいカーボンリサイクル技術の開発につながる可能性が示されたと説明しており、引き続き、さらなる耐久性の向上や実際の排ガス中での性能評価、水の還元剤としての利用などの実用化に向けて必要な機能の構築と評価を進めていくとしている。