ポイント

  • メタンを有用化学品へ変換できる省エネルギーな化学プロセスの開発が脱石油社会に向けて期待。
  • 気相のメタン分子を活性化できる光電気化学反応プロセスを独自に開発し、投入エネルギーの小さな可視光を利用して室温においてメタンをエタンに変換できることを世界で初めて実証。
  • クリーンかつ安価で豊富な天然炭素資源であるメタンを水素や化成品原料に変換するガス化学産業の創出に向けた新しい反応プロセスの提案。

JST 戦略的創造研究推進事業において、北九州市立大学 国際環境工学部の天野 史章 准教授らの研究グループは、室温においてエネルギーの低い可視光を利用してメタン(CH4)を一段階でエタン(C2H6)と水素(H2)に変換できる新しい光電気化学反応プロセスを開発しました。

従来のメタン変換反応は多段階のエネルギー多消費型プロセスであることが問題であり、メタンを有用化学品へと直接変換する化学プロセスの開発が望まれていました。しかしながら、化学的な反応性に乏しいメタン分子の安定なC-H結合を熱触媒的に活性化するには高温が必要であり、選択性の制御は困難でした。一方、光触媒を利用すれば室温でメタンをメチルラジカル注1)(・CH3)に活性化できることが知られていました。しかし、紫外光のようなエネルギーの高い光の利用が必要であり、吸収した光子が反応に利用される効率(量子効率)が著しく低いという問題がありました。

研究グループは、可視光を利用して低温でメタンをエタンと水素へと変換することを目的として、気相分子を活性化するための光電気化学注2)反応プロセスを独自に開発しました。酸化タングステン(WO3)電極を用いたときに、青色の可視光照射下でメタンのホモカップリング反応注3)が進行し、全生成物のうち50%以上の選択率で目的とするエタンが生成されることを見いだしました。電場の印加によって光励起電子と正孔の再結合が抑制された結果、従来の光触媒反応プロセスと比較して量子効率が大幅に向上しました。さらにプロトン交換膜注4)で仕切られた対極では水素を製造することができました。熱力学的に高温が必要とされるメタンの水蒸気改質注5)による水素製造を室温で可視光エネルギーを使って世界で初めて成功したともいえます。

本研究は、九州工業大学の横野 照尚 教授、および同志社大学の竹中 壮 教授の協力を得て行いました。

本研究成果は、2019年1月22日(米国東部時間)に米国科学誌「ACS Energy Letters」のオンライン版で公開されました。

詳細:http://www.jst.go.jp/pr/announce/20190123-3/index.html