広く分布する土壌鉱物、α-鉄(III)オキシ水酸化物は、二酸化炭素をギ酸に光還元するためのリサイクル可能な触媒であることが判明しました。クレジット：前田和彦教授
CO2を光還元してギ酸（HCOOH）などの輸送可能な燃料に変換する方法は、大気中のCO2濃度の上昇を抑える良い方法です。この問題を解決するために、東京工業大学の研究チームは、入手しやすい鉄系鉱物を選択し、それをアルミナ担体に担持して、CO2をHCOOHに効率的に変換できる触媒を開発しました。選択率は約90%です。
電気自動車は多くの人にとって魅力的な選択肢であり、その主な理由は二酸化炭素を排出しないことです。しかし、多くの人にとって大きな欠点は、航続距離が短く、充電に時間がかかることです。この点で、ガソリンなどの液体燃料は大きな利点があります。エネルギー密度が高いため、航続距離が長く、燃料補給も早いのです。
ガソリンやディーゼルから別の液体燃料に切り替えると、液体燃料の利点を維持しながら炭素排出を削減できます。たとえば、燃料電池では、ギ酸はエンジンに動力を与えながら水と二酸化炭素を放出します。ただし、大気中の CO2 を HCOOH に還元してギ酸を生成する場合、正味の出力は水だけです。
大気中の二酸化炭素濃度の上昇とそれが地球温暖化に及ぼす影響は、今やよくニュースになっています。研究者たちがこの問題に対してさまざまなアプローチを試みているうちに、大気中の過剰な二酸化炭素をエネルギー豊富な化学物質に変えるという効果的な解決策が浮かび上がりました。
太陽光による CO2 の光還元によるギ酸 (HCOOH) などの燃料の生成は、過剰な CO2 排出を削減し、現在直面しているエネルギー不足を最小限に抑えるという 2 つの利点があるため、最近大きな注目を集めています。高エネルギー密度の水素の優れたキャリアである HCOOH は、燃焼によってエネルギーを提供し、副産物として水のみを放出します。
この有利な解決策を現実のものにするために、科学者たちは太陽光を利用して二酸化炭素を還元する光触媒システムを開発しました。このシステムは、光吸収基質（光増感剤）と、CO2からHCOOHへの還元に必要な複数の電子移動を可能にする触媒で構成されています。こうして、適切かつ効率的な触媒の探索が始まりました。
一般的に使用される化合物を用いた二酸化炭素の光触媒還元のインフォグラフィック。クレジット：前田和彦教授
固体触媒は、その効率性と潜在的なリサイクル可能性から、このタスクに最適な候補であると考えられており、長年にわたり、多くのコバルト、マンガン、ニッケル、鉄ベースの金属有機構造体（MOF）の触媒能力が研究されてきました。その中でも、後者は他の金属に比べていくつかの利点があります。ただし、これまでに報告されたほとんどの鉄ベースの触媒は、HCOOHではなく、主生成物として一酸化炭素のみを生成します。
しかし、この問題は、前田和彦教授率いる東京工業大学（Tokyo Tech）の研究チームによってすぐに解決されました。化学誌Angewandte Chemieに掲載された最近の研究で、研究チームはα-オキシ水酸化鉄（α-FeO​​​​​​ OH；ゲーサイト）を用いたアルミナ（Al2O3）担持鉄系触媒を実証しました。この新しいα-FeO​​​​​​OH / Al2O3触媒は、CO2からHCOOHへの優れた変換性能と優れたリサイクル性を示します。触媒の選択について尋ねられた前田教授は、「CO2光還元システムの触媒として、より豊富な元素を探索したいと考えています。活性でリサイクル可能、無毒で安価な固体触媒が必要です。そのため、実験にはゲーサイトのような広く分布する土壌鉱物を選択しました。」と述べています。
研究チームは、単純な含浸法を用いて触媒を合成した。次に、鉄担持Al2O3材料を使用し、ルテニウムベースの（Ru）光増感剤、電子供与体、および400ナノメートルを超える波長の可視光の存在下で、室温で光触媒的にCO2を還元した。
結果は非常に有望です。主生成物である HCOOH に対するシステムの選択性は 80～90%、量子収率は 4.3% でした (システムの効率を示しています)。
この研究では、効率的な光増感剤と組み合わせることで HCOOH を生成できる初めての鉄ベースの固体触媒を紹介します。また、適切な支持材料 (Al2O3) の重要性と、それが光化学還元反応に及ぼす影響についても説明します。
この研究から得られた知見は、二酸化炭素を光還元して他の有用化学物質を生成するための、貴金属を使わない新しい触媒の開発に役立つ可能性があります。「私たちの研究は、グリーンエネルギー経済への道が複雑ではないことを示しています。シンプルな触媒調製法でも大きな成果が得られる可能性があり、地球上に豊富に存在する化合物は、アルミナなどの化合物に担持されていれば、CO2還元のための選択的触媒として使用できることはよく知られています」と前田教授は結論付けています。
参考文献: 「可視光下での CO2 光還元のためのリサイクル可能な固体触媒としてのアルミナ担持アルファ鉄 (III) オキシ水酸化物」、Daehyeon An、西岡俊太博士、安田周平博士、金澤知樹博士、鎌倉吉信博士、横井俊之教授、野沢俊介教授、前田和彦教授、2022 年 5 月 12 日、Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
「ガソリンのような液体燃料には大きな利点があります。エネルギー密度が高いため、航続距離が長く、燃料補給も早いのです。」
数字で見てみましょう。ギ酸のエネルギー密度はガソリンと比べてどうでしょうか。化学式には炭素原子が 1 つしかありませんが、ガソリンに近づくことすらできないと思います。
それに加えて、臭いは非常に有毒であり、酸であるためガソリンよりも腐食性が強い。これらは解決不可能な工学的問題ではないが、ギ酸が航続距離の延長やバッテリーの燃料補給時間の短縮といった大きな利点をもたらさない限り、おそらく努力する価値はないだろう。
土壌から針鉄鉱を採掘する計画であれば、それは大量のエネルギーを消費する採掘作業となり、環境に損害を与える可能性がある。
土壌に針鉄鉱がたくさんあると言及されるのは、必要な原材料を入手し、それらを反応させて針鉄鉱を合成するには、より多くのエネルギーが必要になると思われるからです。
プロセスのライフサイクル全体を見て、すべてのエネルギーコストを計算する必要があります。NASA は無料の打ち上げなどというものは発見していません。他の人もこれを念頭に置く必要があります。
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