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貴金属,希少金属を用いないCO2資源化光触媒を開発 ~ありふれた元素だけを用いて人工光合成を実現~

 東京工業大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年6月12日,東京工業大学 理学院 化学系の石谷 治教授らの研究グループが,フランス パリ第7大学のマーク・ロバート教授らと共同で,有機半導体材料と鉄錯体から成る光触媒に可視光を照射することで,二酸化炭素(CO2)を有用な炭素資源である一酸化炭素(CO)に選択的に還元できること発見した,と発表した.パリ第7大学からもプレスリリースが行われている.本研究はJST戦略的創造研究推進事業(CREST),および独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費助成事業の支援を受けて行われ,研究成果は米国化学会誌Journal of the American Chemical Societyに速報として掲載された(注).

 人工光合成とは,触媒に太陽光を照射することで活性化させ,地球温暖化の主因とされるCO2を有用な炭素資源に変換する技術のことで,金属錯体や半導体などを用いた光触媒の開発が盛んに行われている.これまで開発された活性の高い光触媒には,ルテニウム,レニウム,タンタルなどの貴金属や希少金属が含まれていた.しかし,莫大な量のCO2の処理に対応するために貴金属や希少金属を含まず,地球上に豊富に存在する元素だけで構成される触媒の開発が望まれていた.

 本研究において,研究グループは,有機半導体であるカーボンナイトライドを鉄錯体と組み合わせた光触媒を開発した.用いられたカーボンナイトライドはメソポーラスな黒鉛状構造の物質で,その化学式はC3N4で表され,また,鉄錯体は,Fe(qpy)(H2O)2]2+(qpy:2,2':6',2'':6'',2''-quaterpyridine)で表される.この光触媒をアクリロニトリルとトリエチルアミンの混合液(容積比4:1)に溶解し,波長400nm以上の可視光を照射したところ,CO2がCOに高効率に還元されることが見出された.カーボンナイトライドが可視光を吸収して発生した電子を鉄錯体に伝達し,鉄錯体はその電子を用いてCO2をCOに還元する.触媒活性点1個当たりの作用回数(ターンオーバー数)は155,照射された光の使用効率(外部量子収率)は4.2%,CO2還元反応の選択率は99%に達した.これらは,貴金属や希少金属を用いた従来の光触媒と同程度であり,これまで報告された卑金属や有機半導体を用いる光触媒に比べると10倍以上高い.

 本研究により,貴金属や希少金属を用いず,炭素,窒素,鉄のように卑金属や有機半導体だけで構成される光触媒でも,太陽光を有効に活用してCO2を有用な炭素資源に変換できることが明らかになった.

 今後,研究グループは,さらに研究を進めて光触媒としての機能を向上させるとともに,酸化光触媒との融合化技術を開発し,多量に存在して安価な水を還元剤として用いるようにしたいという.

(注)Claudio Cometto, Ryo Kuriki, Lingjing Chen, Kazuhiko Maeda, Tai-Chu Lau, Osamu Ishitani, and Marc Robert,"A Carbon Nitride/Fe Quaterpyridine Catalytic System for Photostimulated CO2-to-CO Conversion with Visible Light", Journal of the American Chemical Society, Article ASAP, DOI: 10.1021/jacs.8b04007; Publication Date (Web): June 11, 2018