貴金属、稀少金属を用いないＣＯ_２資源化光触媒を開発

ポイント

• 地球上に豊富に存在する元素（炭素、窒素、鉄）から成る新しい光触媒を開発。
• 太陽光をエネルギー源としてＣＯ_２を有用な炭素資源に変換。
• 貴金属や稀少金属を用いた従来の光触媒と同等の性能を実現。

＜研究成果＞

石谷教授らは、炭素と窒素から構成される有機半導体カーボンナイトライド^注５）を鉄錯体と組み合わせて光触媒として用いることで、二酸化炭素（ＣＯ_２）を一酸化炭素（ＣＯ）へと高効率に還元できることを見いだした（図）。この光触媒反応は、太陽光の波長帯でも主成分である可視光を照射することで進行する。カーボンナイトライドが可視光を吸収し、還元剤から触媒である鉄錯体への電子の移動を駆動する。その電子を用いて鉄錯体はＣＯ_２をＣＯへと還元する。性能の指標となるＣＯ生成におけるターンオーバー数^注６）、外部量子収率^注７）、ＣＯ_２還元の選択率^注８）は、それぞれ１５５、４．２パーセント、９９パーセントに達した。これらの値は、貴金属や稀少金属錯体を用いた場合とほぼ同程度であり、すでに報告されている卑金属や有機分子を用いた光触媒と比べて１０倍以上高かった。

＜背景＞

近年、金属錯体や半導体を光触媒として用いてＣＯ_２を還元資源化する技術の開発が世界中で行われている。“人工光合成”と呼ばれるこの技術が実用化されれば、地球温暖化の主因とされ、悪者扱いされているＣＯ_２を、太陽光をエネルギー源にして有用な炭素資源へと変換できるようになる。

これまでに報告されている高い活性を示す光触媒には、ルテニウムやレニウム、タンタルなどの貴金属や稀少金属を含む錯体や無機半導体が用いられてきた。しかしながら、莫大なＣＯ_２量を考えると、地球上に多量に存在する元素だけで構成される新たな光触媒を構築する必要があった。

＜研究の経緯＞

石谷教授らは、ＪＳＴ（科学技術振興機構）の戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ「新機能創出を目指した分子技術の構築」における支援を得て、この課題に挑戦すべく、パリ第７大学のマーク・ロバート　教授の研究グループと共同研究を行った。その結果、有機半導体であるカーボンナイトライドを、鉄と有機物で構成される錯体とを融合して光触媒として用いることで、可視光の照射かつ常温常圧という条件でＣＯ_２を高効率に資源化することに成功した。

本成果により、卑金属や有機半導体材料だけを用いた光触媒でも、太陽光を有効に活用し、地球温暖化の主因であるＣＯ_２を有用な炭素資源へと高効率に変換できることが明らかになった。

＜今後の展開＞

今回の研究から、炭素、窒素、鉄といった地球上に多量に存在する材料群を用いても、太陽光をエネルギー源としたＣＯ_２還元資源化を高効率に達成できることを初めて実証した。今後は、光触媒としての機能をさらに向上させるとともに、地球上に多量に存在し安価な水を還元剤として用いることのできる酸化光触媒との融合を達成することが課題となる。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）光触媒

光を吸収することで、反応を触媒的に進行させる分子もしくは物質のこと。

注２）一酸化炭素

分子式はＣＯ。フィッシャー・トロプシュー反応などにより炭化水素を合成できるため、有用な炭素資源として注目を集める。

注３）貴金属

８種の高価な金属、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）。

注４）卑金属

貴金属ではない金属のこと。

注５）カーボンナイトライド

炭素と窒素だけで構成された有機半導体。構造は図に示されている。

注６）ターンオーバー数

触媒反応の活性点が何回機能したかを表す指標。例えば活性点が１００個あり生成物が１０，０００個得られた場合、ターンオーバー数は１００となる。

注７）外部量子収率

照射した光の量に対する反応に用いることができた光の量の割合。例えば、１０，０００個の光子を照射して、そのうち１００個の光子が反応に関与した場合、外部量子収率は１パーセントとなる。

注８）選択率

化学反応における全ての生成物量に対する目的生成物量の割合。

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