千葉大ら，厚さ1.6nmの炭化チタン膜でCO2光還元

千葉大学と中国成都バイオガス科学研究所は，MXene（マキシン）と呼ばれて近年盛んに研究されている新たな2D材料，「炭化チタン超薄層化合物 Ti₃C₂Xy（X=O，OH，F，orCl） 」は電気を通す効果があり，複合した酸化ジルコニウム（ZrO₂）に紫外可視光を照射することで生じた電子を高速に伝達し，CO₂をCOに還元することが分かった（ニュースリリース）。

光触媒を用いてCO₂を燃料や有用な化学原料（CO，メタノール，酢酸等）に変換する研究が広く進められているが，光由来で光触媒（半導体）内部に生じた電子とホール（電荷分離）を効率よくそれぞれCO₂および還元剤（H₂O，H₂，アルコール等）にまで導く効率が問題になっている。この効率が悪ければ，持続可能エネルギーである光エネルギーによって生じた光触媒内の電子とホールが再結合して，消えてしまう。

研究グループは，まず，合成したMXene Ti₃C₂Xyの構造を確かめた。すると，Ti層が3層，間に2層のC層がサンドイッチされた配位構造が示され，両側に主にFあるいはO原子が結合することで，超薄層を形成していることが分かった。この1単位の層が3層重なり，厚みが1.6nmの層を成していた。一方，超薄膜は数100nmに広がっていた。

半導体であるZrO₂はこのMXene Ti₃C₂Xy層上に5〜10nmの大きさで粒子状に散りばめられていることが分かった。このMXene Ti₃C₂Xy–ZrO₂複合体に紫外可視光を照射するとCO₂からCOが定常的に得られた。さらに光反応経路を確かめるために，炭素の同位体である¹³Cを含む¹³CO₂を反応させると，¹³COが得られた。

しかし，これはH₂ガスを¹³CO₂と一緒に光触媒に導入した場合で，H₂Oガス（水蒸気）を¹³CO₂と一緒に光触媒に導入した場合には，¹³Cが含まれる還元生成物はほとんど得られず，¹²CH₄（メタン） ，H₂¹²CO（ホルムアルデヒド），¹²COが得られた。すなわち，MXene Ti₃C₂XyがH₂Oと光により部分的に分解したことを示した。

研究グループは，この結果により，Ti₃C₂Xyを初めとする新規金属炭化/窒化超薄層化合物を用いることで，効率が問題になっている光触媒の電荷分離効果を高め，持続可能なCO₂光燃料化の実現につながることが期待されるとしている。