九州大、CO2とプラスチックを太陽光で同時に有用化学品に変換する単一触媒を開発

九州大学の研究グループは、CO₂排出とプラスチック廃棄物という二つの深刻な環境問題に、単一のプロセスで同時に対処する画期的な光触媒システムを開発した（ニュースリリース）。

地球規模のCO₂排出とプラスチック汚染は、最も差し迫った環境脅威の一つ。光を利用して化学反応を駆動する光触媒は、CO₂を燃料に変換したりプラスチックを分解したりする持続可能な道筋を提供するが、既存のシステムには限界があった。

一般的に一度に一つの汚染物質のみを対象とし、非効率な犠牲剤に依存するため、実用化が妨げられてきた。添加物なしで両方の廃棄物フローを同時に価値化する統合プロセスは、主要な科学的・技術的課題として残されていた。単一の光触媒サイクルにおいて二つの廃棄物を酸化還元パートナーとして利用するというコンセプトは優れた解決策だが、非常に調整可能で多機能な特性を持つ触媒が必要だった。

この協奏的戦略を実現するため、研究グループは、新規のハイエントロピー酸化物光触媒BaTiNbTaZnO₉を設計した。ハイエントロピー酸化物は五つ以上の主要元素を含み、複数の機能を統合できる高度に秩序の乱れた原子構造を生み出す。

この特定の組成は、電荷分離のための電子受容性元素、電荷輸送と高いCO選択性のための電子供与性元素、そしてCO₂吸着を強化するルイス塩基サイトを組み合わせるために選択された。

触媒は、前駆体酸化物の機械的混合と、高圧ねじり加工による激烈な塑性変形、そして高温焼成により合成された。その性能は、水、触媒粉末、PETプラスチック片を含み、CO₂を連続的に流通させる独自の光反応器中で、疑似太陽光光源による照射下で評価された。気体生成物はガスクロマトグラフィーにより、PET分解による液体生成物は核磁気共鳴（NMR）分光法により同定・定量された。

BaTiNbTaZnO₉触媒は、光照射下で、CO₂からCOを116.1μmolh⁻¹g⁻¹の速度で、95%の選択性をもって生成した。これは従来のCO₂光触媒反応と比べて5倍の増加。同時に、PETプラスチックはメタン、エチレングリコール、グリコール酸、酢酸、およびテレフタル酸といった価値ある化学品へ酸化された。対照実験により、COは主にCO₂に由来し、CH₄はプラスチックに由来することが確認された。

このシステムは、いかなる犠牲剤もなく24時間で15.3の回転数を達成し、その触媒効率を証明した。構造的・分光学的分析により、触媒の優れた性能は、有益な異種接合を生み出す多相構造、電荷分離を促進する格子ひずみと欠陥、可視光吸収に適したバンドギャップ、および反応物吸着のための調整された表面サイトといった要因の相乗効果に起因することが明らかになった。

研究グループは、この成果は、環境負荷を価値ある資源へと変える、スケーラブルな廃棄物から燃料へのコンセプトを確立するものだとしている。