Nano-spike catalysts convert carbon dioxide directly into ethanol
2016年10月12日
テネシー州オークリッジ、2016年10月12日-廃棄物から燃料への技術に新たな展開をもたらした、エネルギー省オークリッジ国立研究所の科学者たちは、炭素と銅の小さなスパイクを使って、温室効果ガスである二酸化炭素をエタノールに変える電気化学プロセスを開発した。この発見は、ナノファブリケーションと触媒科学に関わるもので、偶然の産物であった。
走査型電子顕微鏡でカーボンナノスパイクのサンプルを観察するORNLのYang Song（着席）、Dale Hensley（立位左）、Adam Rondinone。
「ORNLのAdam Rondinone氏は、ChemistrySelect誌に掲載された研究の主執筆者である。「提案された反応の最初のステップを研究しようとしていたときに、この触媒が単独ですべての反応を行っていることに気づいたのです」。
研究チームは、炭素、銅、窒素でできた触媒を使い、電圧をかけることで、燃焼プロセスを実質的に逆転させる複雑な化学反応を引き起こしました。複数の反応部位を持つナノテクノロジーベースの触媒の助けを借りて、二酸化炭素を水に溶かした溶液が、63％の収率でエタノールに変わったのである。通常、この種の電気化学反応では、数種類の異なる製品が少量ずつ混在する。
Rondinoneは、「私たちは、燃焼時の廃棄物である二酸化炭素を利用し、その燃焼反応を非常に高い選択性で有用な燃料へと逆流させているのです」と語る。「エタノールは意外でした。二酸化炭素からエタノールに直接、単一の触媒で変換するのは非常に難しいのです」。
この触媒の新しさは、銅のナノ粒子が炭素のスパイクに埋め込まれたナノスケールの構造にある。このナノテクスチャー化のアプローチにより、多くの触媒の経済性を制限する白金などの高価な金属や希少金属の使用を避けることができます。ORNLの研究者たちは、銅のナノ粒子（球状に見える）をカーボンのナノスパイクに埋め込んだ触媒を開発し、二酸化炭素をエタノールに変換することに成功した。
Rondinoneは、「一般的な材料を使いながら、ナノテクノロジーを駆使して配置することで、副反応を抑え、最終的に目的のものを得る方法を見つけ出しました」と語っている。
研究チームの初期分析によると、トゲトゲしたテクスチャーをもつ触媒の表面は、二酸化炭素からエタノールへの変換を促進するための十分な反応サイトを提供している。
ロンディノーネは、「この触媒は、電気化学的な反応性をスパイクの先端に集中させる50ナノメートルの避雷針のようなものです」と述べている。
この技術は、低コストの材料を使用し、水中で室温で動作することから、研究者たちは、この手法を工業的に利用できるように拡大できると考えている。例えば、このプロセスは、風力や太陽光などの変動電源で発生した余剰電力を蓄えるために利用できるかもしれません。
「ロンディノーネは、「このようなプロセスでは、余剰電力を消費し、それをエタノールとして製造・貯蔵することができます。「これは、断続的な再生可能エネルギー源から供給される送電網のバランスをとるのに役立つでしょう」とロンディノーネは述べています。
研究者たちは、今回の手法をさらに改良して全体の生産量を向上させるとともに、触媒の特性や挙動をさらに研究する予定です。
ORNLのYang Song、Rui Peng、Dale Hensley、Peter Bonnesen、Liangbo Liang、Zili Wu、Harry Meyer III、Miaofang Chi、Cheng Ma、Bobby Sumpter、Adam Rondinoneが共著者として名を連ねており、"High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode "として発表されました。
本研究は、DOEのOffice of Scienceの支援を受け、DOE Office of Scienceのユーザー施設であるORNLのCenter for Nanophase Materials Sciencesのリソースを利用して行われました。
UT-Battelle社は、DOEのOffice of ScienceのためにORNLを管理しています。Office of Scienceは、米国の物理科学分野の基礎研究を支援する唯一最大の機関であり、現代の最も差し迫った課題に取り組むために活動しています。詳しい情報は、http://energy.gov/science/。
