触媒は働きながら姿を変える？ CO₂を有用物質に変える仕組みを解明

料理をするとき、火加減や調理時間によって、同じ材料でもできあがりが変わります。化学反応でも、反応の条件によって何がどれだけできるかが変わります。そこで活躍するのが触媒です。触媒は、それ自体が反応の材料になるのではなく、化学反応を助ける役割をします。

近年、触媒を使って、二酸化炭素（CO₂）をギ酸などの有用な物質に変える研究が進められています。その一つが、硫化銅（CuS）という物質を触媒として使い、電気の力でCO₂を変換する方法です。

この反応では、触媒にかける電気の条件によって、電子の動きや、そこで起こる化学反応を変えることができます。その条件の一つが電位です。これまでの研究から、一定の電位をかけ続けるのではなく、プラス側とマイナス側へ交互に切り替えると、目的とする物質を選択的につくりやすくなることが知られていました。

しかし、なぜ、電気のかけ方を変えるだけで、できる物質が変わるのでしょうか。その理由を探るため、東京科学大学（Science Tokyo）の山口晃（やまぐち・あきら）准教授らの研究チームは、反応している最中の硫化銅に注目しました。

調べてみると、興味深いことが分かりました。触媒は最初の姿のまま働いているのではなく、電位の変化に合わせて、自らも姿を変えていたのです。

電位をマイナス側にすると、硫化銅から硫黄の一部が離れ、表面に金属の銅が現れます。次に電位をプラス側にすると、酸素を取り込んだ酸化銅ができます。そして再びマイナス側にすると、金属の銅へと戻ります。こうした変化が反応中に繰り返されていました。

さらに、硫黄や酸素は、触媒の姿を変えるだけでなく、反応そのものにも重要な役割を果たしていることが分かりました。硫黄はCO₂から別の物質がつくられる途中の反応を助け、酸素は炭素同士が結びつく反応を促していました。

つまり、どんな触媒を用意するかだけでなく、反応中に触媒がどう姿を変えるかが、どんな物質ができるのかを左右していたのです。

CO₂からは、ギ酸やエチレンなど、さまざまな物質をつくることができます。今回明らかになった触媒の変化をさらに詳しく理解し、うまく制御できるようになれば、必要な物質をより選択的につくれる可能性があります。触媒が働いている最中の変化まで利用することが、CO₂を資源として活用する新たな触媒の開発につながります。

触媒の活性を上げるためには、「どのようにして上げるのか？」ということを、また実際に高い活性がみられた場合には「なぜ上がったのか？」ということを考える必要があります。今回、様々な測定を通じて反応中に起こる触媒の変化や、硫黄と酸素が果たす役割が見えてきました。こうした反応の仕組みを一つずつ明らかにし、材料の特徴を活かすことで、CO₂から必要な物質をより効率よくつくる触媒の設計につなげたいと考えています。
（山口晃：東京科学大学 物質理工学院 材料系 准教授）

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