広く分布する土壌鉱物であるα-鉄(III)オキシ水酸化物が、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た。クレジット：前田和彦教授
二酸化炭素を光還元してギ酸（HCOOH）などの輸送可能な燃料に変換することは、大気中の二酸化炭素濃度の上昇に対処する有効な手段です。この課題に取り組むため、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び、アルミナ担体に担持させて、二酸化炭素をギ酸に効率的に変換できる触媒を開発しました。その選択率は約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、航続距離の短さと充電時間の長さは多くの人にとって大きな欠点です。ここでガソリンなどの液体燃料が大きな利点を発揮します。エネルギー密度が高いため、航続距離が長く、燃料補給も迅速です。
ガソリンやディーゼル燃料から別の液体燃料に切り替えることで、液体燃料の利点を維持しながら炭素排出量を削減できます。例えば、燃料電池では、ギ酸はエンジンを動かしながら水と二酸化炭素を放出します。しかし、大気中のCO2をHCOOHに還元してギ酸を生成する場合、正味の生成物は水のみとなります。
大気中の二酸化炭素濃度の上昇と、それが地球温暖化に与える影響は、今やよく知られたニュースとなっている。研究者たちがこの問題に対して様々なアプローチを試みる中で、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換するという効果的な解決策が見出された。
太陽光によるCO2の光還元によってギ酸（HCOOH）などの燃料を製造する方法は、過剰なCO2排出量を削減し、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二重の利点があるため、近年大きな注目を集めている。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供給し、副産物として水のみを放出することができる。
この収益性の高いソリューションを現実のものとするため、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、光を吸収する基質（すなわち光増感剤）と、CO2をHCOOHに還元するために必要な多重電子移動を可能にする触媒から構成されています。そして、適切な効率的な触媒の探索が始まりました。
一般的に用いられる化合物を用いた二酸化炭素の光触媒還元に関するインフォグラフィック。提供：前田和彦教授
固体触媒は、その効率性とリサイクル可能性から、このタスクに最適な候補と考えられており、長年にわたり、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄をベースとした多くの金属有機構造体（MOF）の触媒能力が研究されてきました。後者は他の金属に比べていくつかの利点があります。しかし、これまでに報告されている鉄ベースの触媒のほとんどは、主生成物として一酸化炭素のみを生成し、ギ酸は生成しません。
しかし、この問題は、前田和彦教授率いる東京工業大学（トーキョーテック）の研究チームによって迅速に解決されました。化学誌「Angewandte Chemie」に掲載された最近の研究で、同チームは、α-鉄(III)オキシ水酸化物（α-FeO​​​​​ OH; ゲータイト）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光還元システムにおける触媒として、より豊富な元素を探求したいと考えています。活性があり、リサイクル可能で、無毒で、安価な固体触媒が必要です。そのため、実験にはゲータイトのような広く分布している土壌鉱物を選びました」と述べました。
研究チームは、単純な含浸法を用いて触媒を合成した。そして、鉄担持Al2O3材料を用いて、ルテニウム系（Ru）光増感剤、電子供与体、および波長400ナノメートル以上の可視光の存在下で、室温でCO2を光触媒的に還元した。
結果は非常に有望である。主生成物であるギ酸（HCOOH）に対する彼らのシステムの選択性は80～90％で、量子収率は4.3％であった（これはシステムの効率性を示している）。
本研究では、効率的な光増感剤と組み合わせることでギ酸を生成できる、これまでにない鉄系固体触媒を紹介する。また、適切な担体材料（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考察する。
この研究から得られた知見は、二酸化炭素を他の有用な化学物質に光還元するための、貴金属を含まない新しい触媒の開発に役立つ可能性がある。「私たちの研究は、グリーンエネルギー経済への道は複雑ではないことを示しています。単純な触媒調製方法でも優れた結果が得られ、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で担持されれば、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る。
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、まさにその点で大きな利点があります。エネルギー密度が高いということは、航続距離が長く、燃料補給も迅速に行えるということです。」
具体的な数値はどうでしょうか？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？化学式に炭素原子が1つしかないことを考えると、ガソリンに匹敵するほどではないと思います。
それに加えて、ギ酸の臭いは非常に有毒で、酸性であるためガソリンよりも腐食性が高い。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充電時間の短縮に大きな利点をもたらさない限り、おそらく労力に見合う価値はないだろう。
もし彼らが土壌から針鉄鉱を抽出する計画を立てていたとしたら、それはエネルギー集約型の採掘作業となり、環境に悪影響を与える可能性もあるだろう。
土壌中にゲータイトが大量に含まれていると彼らが言うかもしれないのは、ゲータイトを合成するために必要な原材料を入手し、それらを反応させるには、より多くのエネルギーが必要になると思われるからだ。
プロセスのライフサイクル全体を考慮し、あらゆるもののエネルギーコストを計算する必要がある。NASAは、無料の打ち上げなど存在しないことを発見した。他の機関もこの点を念頭に置く必要がある。
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