東工大ら,低温で二酸化炭素改質反応を起こす光触媒開発

東京工業大学,物質・材料研究機構(NIMS),高知工科大学,九州大学,静岡大学の研究グループは,低温でメタンの二酸化炭素改質反応(ドライリフォーミング)を起こすことができる光触媒材料の開発に成功した(ニュースリリース)。

ドライリフォーミング反応は温室効果ガスであるメタンと二酸化炭素から,水素と一酸化炭素の合成ガスに変換することができる(CH4+CO2→2CO+2H2)。

生成した合成ガスはアルコールやガソリン,化学製品を製造する化学原料となるため,ドライリフォーミング反応は天然ガスやシェールガスの有効利用および地球温暖化抑止のために注目されている。

しかし,この反応を効率よく進行させるためには800℃以上の高温が必要となり,大量の燃料消費と高温条件における触媒の劣化が問題となっていた。

研究グループは,光エネルギーを使ってドライリフォーミング反応を起こす光触媒を開発した。従来の光触媒反応は水中の水素イオンが反応の媒体となって駆動する一方,乾燥条件で進行するドライリフォーミングに適した光触媒の探索が重要なポイントとなった。

開発した光触媒はチタン酸ストロンチウムに金属ロジウムがナノスケールで複合されている。この光触媒はチタン酸ストロンチウムとロジウム塩水溶液を密閉容器内で加熱処理することにより簡便に合成することができる。

この光触媒に紫外線を照射すると,加熱をしない条件でも50%を超えるメタンと二酸化炭素転換率を示したという。従来型の熱触媒で同じ性能を出すためには,500℃以上の加熱が必要だった。

さらに,光触媒に光照射を行なうことで,熱触媒の性能上限値を大きく上回った。また,この光触媒による水素と一酸化炭素の生成速度は,メタンと二酸化炭素の消費速度の2倍となった。耐久性を調べたところ,長期にわたり安定であることもわかった。

この研究の光触媒反応は格子酸素イオンを媒体とする新しい反応で,様々な気相反応への展開が期待できる。さらに,この成果が天然ガスやシェールガスの有効利用につながるとともに,温室効果ガス低減に貢献できる。また,低温で合成ガスを製造することができるため,既往の工業的手法と組み合わせることでガソリン製造などの施設の大幅な簡略化と効率化が望めるとしている。

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