金沢、日本、2023年6月8日 /PRNewswire/ -- 金沢大学の研究者らは、二硫化スズの超薄層を使用して二酸化炭素の化学的還元を加速する方法を報告している。カーボンニュートラル社会の実現を目指している。
産業プロセスから排出される二酸化炭素（CO2）のリサイクルは、人類が持続可能なカーボンニュートラル社会の実現を急務としている中で、必要不可欠です。そのため、CO2を他の有害性の低い化学製品に効率的に変換できる電極触媒が現在広く研究されています。二次元（2D）金属ジカルコゲニドと呼ばれる材料群は、CO変換のための電極触媒の候補ですが、これらの材料はしばしば競合反応を促進し、効率を低下させます。金沢大学ナノバイオロジー科学研究所（WPI-NanoLSI）の高橋康文氏らは、CO2を天然由来だけでなく、化学合成の中間生成物であるギ酸に効果的に還元できる二次元金属ジカルコゲニドを発見しました。
高橋らは、二次元二硫化物（MoS2）と二硫化スズ（SnS2）の触媒活性を比較した。いずれも二次元金属二カルコゲニドであり、後者は純粋なスズがギ酸生成触媒として知られているため、特に興味深い化合物である。これらの化合物の電気化学試験により、MoS2を用いることでCO2変換ではなく水素発生反応（HER）が促進されることが示された。HERとは水素を生成する反応であり、水素燃料の製造には有用であるが、CO2還元においては望ましくない競合反応となる。一方、SnS2は良好なCO2還元活性を示し、HERを阻害した。研究者らはまた、バルクSnS2粉末の電気化学測定を行い、CO2の触媒還元活性が低いことを明らかにした。
SnS2中の触媒活性部位がどこにあるのか、そして2D材料がバルク化合物よりも優れた性能を示す理由を理解するために、研究者らは走査型電気化学顕微鏡（SECCM）と呼ばれる手法を用いた。SECCMはナノピペットとして用いられ、試料表面反応に敏感なプローブのためのナノスケールのメニスカス型電気化学セルを形成する。測定の結果、SnS2シートの表面全体が触媒活性を示し、構造中の「プラットフォーム」や「エッジ」要素のみではないことが示された。これはまた、2D SnS2がバルクSnS2と比較して高い活性を示す理由も説明している。
計算により、発生する化学反応に関するさらなる知見が得られました。特に、2D SnS2を触媒として使用した場合、ギ酸の生成がエネルギー的に有利な反応経路であることが確認されました。
高橋氏らの研究成果は、二次元電極触媒を電気化学的CO2還元に応用するための重要な一歩となる。研究者らは、「これらの結果は、二酸化炭素を電気化学的に還元し、副作用なく炭化水素、アルコール、脂肪酸、アルケンを生成するための二次元金属二カルコゲニド電極触媒戦略の理解と開発を深めるだろう」と述べている。
金属ジカルコゲニドの二次元（2D）シート（または単層）はMX2型材料です。ここで、Mはモリブデン（Mo）やスズ（Sn）などの金属原子、Xは硫黄（C）などのカルコゲン原子です。この構造は、X原子層がM原子層の上に重なり、さらにその上にX原子層が重なっている構造で表されます。二次元金属ジカルコゲニドは、いわゆる二次元材料（グラフェンも含まれる）に属し、薄い材料です。2D材料は、バルク（3D）材料とは異なる物理的特性を示すことがよくあります。
二次元金属ジカルコゲニドは、水素を生成する化学反応である水素発生反応（HER）における電気触媒活性について研究されてきました。しかし今回、金沢大学の高橋康文氏らは、二次元金属ジカルコゲニドSnS2がHER触媒活性を示さないことを発見しました。これは、本研究の戦略的観点から極めて重要な特性です。
川辺祐介、伊藤嘉一、堀雄太、スレシュ・ククヌリ、塩川文也、西内智彦、サミュエル・チョン、片桐康介、ゼユウ・シー、チカイ・リー、重田安輝、高橋康文。 CO2 の電気化学的移動用プレート 1T/1H-SnS2、ACS XX、XXX–XXX (2023)。
タイトル: CO2 排出量を削減するための SnS2 シートの触媒活性を研究するための細胞の電気化学顕微鏡による走査実験。
金沢大学ナノバイオロジー研究所（NanoLSI）は、文部科学省の世界トップレベルの国際研究拠点形成プログラムの一環として、2017年に設立されました。このプログラムの目標は、世界トップクラスの研究拠点の創出です。NanoLSIは、生物系走査プローブ顕微鏡における最も重要な知見を結集し、生体分子を直接観察、分析、操作するための「ナノ内視鏡技術」を確立することで、疾患などの生命現象を制御するメカニズムの解明を目指します。
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