高効率な触媒設計でCO2資源化を推進し、カーボンニュートラル社会の実現をめざす

日立は、電気化学反応によるCO2資源化技術において、大型放射光施設SPring-8*1の高輝度X線を用いて、反応中の触媒*2の状態をリアルタイムで可視化する技術を開発しました。本技術により、触媒の反応性や耐久性の向上などに関する具体的な指針が得られ、高効率な触媒設計が可能となることが期待されます。日立は、大学や研究機関、企業との共同研究を通じて、電気化学反応によるCO2資源化技術の開発を推進し、持続可能なカーボンニュートラル社会の実現に貢献します。

近年、地球温暖化ガスである大気中のCO2を回収して資源化する技術がカーボンニュートラル社会の実現に向けて期待されています。その中で、電気化学反応によりCO2を還元してエチレン(C2H4)などの有用な化成品原料に変換する技術においては、反応を効率よく進めるための触媒が特に重要な役割を果たします。しかしながら、従来の方法では、反応前後の状態しか分析できないため、反応中に触媒の状態がどのようになっているのかがわかりませんでした。

今回、電気化学反応とX線計測を同時に行える電気化学セルを新たに開発し、日立が長年にわたり研究開発してきた放射光計測技術の一手法であるX線マイクロビームによる走査型蛍光X線顕微鏡*3と融合させることで、多孔質電極上部の触媒(今回は銅)が、反応中に電極内部に分散していく様子をリアルタイムで捉えることに成功しました(図1)。本技術により可視化した反応中の触媒の状態変化は、これまでに想定されていない新しい知見であり、触媒の反応性や耐久性向上に関する具体的な指針につながります。

画像: 図1 X線マイクロビーム走査型蛍光X線顕微鏡を利用し、電気化学反応中の触媒の状態をリアルタイムで可視化 — 図1 X線マイクロビーム走査型蛍光X線顕微鏡を利用し、電気化学反応中の触媒の状態をリアルタイムで可視化

本技術はCO2資源化にとどまらず、水電解や蓄電池などの他の電気化学反応にも適用可能です。今後、日立は、大学や研究機関、企業との共同研究を通じて、電気化学反応によるCO2資源化技術の開発を推進し、持続可能なカーボンニュートラル社会の実現に貢献します。なお、本技術は、2024年10月6日～11日にホノルルで開催されるPRiME*4 2024で発表されます。

*1 兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す施設。放射光は、電子をほぼ光速に加速し、その進行方向を電磁石で曲げたときに発生する強力な電磁波のこと。レントゲンなどの市販X線装置から発生するX線に比べて10000倍以上の明るい光なため、市販装置では見えないものを見ることができる。日立は、産業用専用ビームライン建設利用共同体(略称サンビーム、1996年12月～2024年3月)への参画などを通じて、多方面の技術分野に放射光を活用した研究開発を進めている。
*2 化学反応を促進する物質のこと。目的の化学反応に適した触媒を用いることで、反応速度を増加させたり、反応選択性を高めたりすることができる。
*3 集光したX線マイクロビームを試料に照射し、照射位置から放出される元素固有のエネルギーを持つ蛍光X線から元素の種類を検出する。試料を高精度に走査することでミクロンオーダーでの元素分布像が得られる。
*4 PRiME 2024 (Pacific Rim Meeting on Electrochemical & Solid‐State Science)