大型放射光施設 SPring-8

公開日

2024年09月12日

掲載元：2024年9月11日
株式会社 豊田中央研究所 ニュースリリース

株式会社 豊田中央研究所

株式会社 豊田中央研究所は、二酸化炭素（CO₂）から炭素原子3つで構成されるアルコールであるプロパノール（C₃H₇OH）を合成する新たな分子触媒^*注1を開発しました。CO₂を材料にして炭素数3の化合物を合成する分子触媒は世界初で、CO₂の有効活用につながる可能性があります。この研究成果は、Springer-Natureの論文誌「Nature Catalysis」に2024年4月15日付でオンライン掲載されました。

【研究のポイント】 ➢ 銅（Cu）元素2つを核とする金属錯体が、CO2をプロパノールに変換する分子触媒として機能することを発見（図1） ➢ 分子触媒によるCO2の還元反応で炭素数3の化合物を合成した例は世界初 ➢ 分子触媒が持つ設計の自由度の高さという特徴を生かし、より付加価値の高い化合物を合成する分子触媒の開発につながることを期待 図1　本研究の全体像 論文情報 雑誌名: Nature Catalysis 題名 :Dinuclear Cu(I) Molecular Electrocatalyst for CO2-to-C3 Product Conversion 著者：坂本直柔1、関澤佳太1、白井聡一1、野中敬正1、荒井健男1、佐藤俊介1、森川健志1 1: 豊田中央研究所 DOI：10.1038/s41929-024-01147-y

化石資源の枯渇や地球温暖化への解決策の一つとして、CO₂を有用な資源へと変換する技術が注目されています。CO₂を電気化学的に還元して有用物質に変換する技術である「CO₂電解」もその一つです。合成物として一般的なのは一酸化炭素（CO）やギ酸（HCOOH）といった炭素原子1つからなる化合物（C₁化合物）ですが、将来的には複数の炭素原子が結合したエネルギー密度の高い多炭素化合物の合成が期待されています。
こうした化学反応のカギを握るのは触媒と呼ばれる物質で、触媒の違いによって反応速度や合成物の種類を変えることができます。触媒には、原子の周期的な集合体である無機固体が一般的に用いられます。一方で、金属イオンに有機化合物が結合した金属錯体など、単分子として作用する分子触媒にも注目が集まっています。分子触媒は精密な設計が可能なため、CO₂電解で利用価値の高い化合物を高効率に合成できる可能性を秘めています。しかし、分子触媒は構造が不安定で反応中に分解されるといった欠点もあり、これまでにC₂化合物の報告が数例あるのみで、C₃以上の化合物の合成に成功したという報告は世界でも例がありませんでした。
当社は長年の人工光合成研究の中で、CO₂電解技術や分子触媒に関する知見を蓄積してまいりました。そしてこのたび、CO₂からC₃化合物であるプロパノールを合成する、新たな分子触媒の開発に成功しました。

本研究では炭素原子間の結合を促進する触媒の開発を目指し、いくつかの金属錯体を合成しました。このうちCuを核とする2つの金属錯体が臭素（Br）元素によって架橋された構造を持つ「Br架橋二核Cu (I) 錯体（CuBr-4PP）」が、C₃化合物であるプロパノールを合成する分子触媒として機能することを発見しました。
CuBr-4PPはプロパノールだけでなく、C₂化合物のエタノール（C₂H₅OH）やエチレン（C₂H₄）、C₁化合物のメタン（CH₄）など様々な化合物を合成しました（図2）。現時点ではプロパノールのみを選択的に合成するには至っていませんが、分子触媒によってCO₂からC₃化合物を合成したという事例は世界初の報告となります。
CuBr-4PPの反応メカニズムについても、観察と理論の両方から検証しました。大型放射光施設SPring-8豊田ビームライン（BL33XU）の放射光X線を用いた「オペランドX線吸収微細構造解析^*注2」により、CuBr-4PPがCO₂電解反応中も分解しないことを確認しました。また、CO₂がどのような中間合成物を経てC₃化合物になるのかを「オペランド表面増強ラマン分光分析^*注3」によって突き止めました。こうした一連のメカニズムは「密度汎関数理論（DFT）^*注4」を用いた数理的なシミュレーションによっても裏付けられ、CuBr-4PPがC₃化合物合成の分子触媒として機能することを検証しました。

本研究では、分子触媒を用いてCO₂からC₃化合物を合成できることを世界で初めて実証しました。今回発見した分子触媒をベースとした効果的な触媒設計を実施していくことで、C₃化合物の選択性向上やさらなる多炭素化合物の合成につながる可能性があり、CO₂を有効活用するための次世代触媒の開発に貢献することが期待されます。

【補足情報】