金沢、日本、2023年6月8日 /PRNewswire/ — 金沢大学の研究者らは、二硫化スズの超薄膜を用いて二酸化炭素の化学的還元を加速させ、カーボンニュートラル社会の実現を目指す方法について報告した。
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を緊急に追求する上で不可欠である。そのため、CO2を他のより害の少ない化学製品に効率的に変換できる電気触媒が現在広く研究されている。二次元（2D）金属ジカルコゲナイドと呼ばれる材料群は、CO変換用の電気触媒の候補であるが、これらの材料は競合反応も促進し、効率を低下させることが多い。金沢大学ナノバイオサイエンス研究所（WPI-NanoLSI）の高橋康文氏らは、天然由来のものだけでなく、CO2をギ酸に効果的に還元できる二次元金属ジカルコゲナイドを特定した。さらに、このつながりは化学合成の中間リンクである。
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。どちらも二次元金属ジカルコゲナイドであり、特に後者は純粋なスズがギ酸生成の触媒として知られているため注目されている。これらの化合物の電気化学的試験の結果、MoS2を用いるとCO2変換ではなく水素発生反応（HER）が促進されることがわかった。HER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還元の場合には望ましくない競合反応である。一方、SnS2は良好なCO2還元活性を示し、HERを抑制した。研究者らはまた、バルクSnS2粉末の電気化学的測定も行い、CO2の触媒還元における活性が低いことを発見した。
SnS2における触媒活性部位の位置と、2次元材料がバルク化合物よりも優れた性能を発揮する理由を理解するため、研究者らは走査型セル電気化学顕微鏡（SECCM）と呼ばれる技術を用いた。SECCMはナノピペットとして使用され、試料表面の反応に敏感なプローブ用のナノスケールのメニスカス状の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」要素だけではないことが明らかになった。これは、2次元SnS2がバルクSnS2よりも高い活性を示す理由も説明している。
計算によって、起こる化学反応についてさらに詳しい知見が得られる。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明らかになった。
高橋氏らの研究成果は、二次元電気触媒を電気化学的CO2還元用途に利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、副作用のない炭化水素、アルコール、脂肪酸、アルケンを生成するための二酸化炭素の電気化学的還元における二次元金属ジカルコゲナイド電気触媒戦略の理解と開発に役立つだろう」と述べている。
金属ジカルコゲナイドの二次元（2D）シート（または単層）は、Mがモリブデン（Mo）やスズ（Sn）などの金属原子、Xが硫黄（C）などのカルコゲン原子であるMX2型材料です。その構造は、M原子の層の上にX原子の層があり、さらにその上にX原子の層がある、という構造で表すことができます。二次元金属ジカルコゲナイドは、いわゆる二次元材料（グラフェンも含む）の一種であり、薄いという特徴があります。2D材料は、バルク（3D）材料とは異なる物理的特性を持つことがよくあります。
二次元金属ジカルコゲナイドは、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た。HERは水素を生成する化学プロセスである。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ナイドであるSnS2がHER触媒活性を示さないことを発見した。これは、この研究の戦略的な観点から極めて重要な特性である。
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：二酸化炭素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。
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