【本学研究者情報】

〇学際科学フロンティア研究所　教授　笘居高明
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 高圧条件でCO₂を電気分解すると、CO₂が高密度に電極表面を覆うことで電子状態が変化し、反応経路そのものを変化させられることが分かりました。
• CO₂を再資源化して燃料や化学品を製造するプロセスを圧力によって制御する新しい指針を明らかにしました。
• 高圧電解を利用した高効率カーボンリサイクル技術の開発や、再生可能エネルギーを利用した化学品製造プロセスの実用化への貢献が期待されます。

【概要】

二酸化炭素（CO₂）を電気分解し、資源化する「電気化学的CO₂還元反応（CO₂RR）プロセス^（注１）」は、抜本的なCO₂削減法として注目されていますが、CO₂の水中溶解度が低いために反応速度や選択性の制御が大きな課題でした。

東北大学学際科学フロンティア研究所の笘居高明教授、大学院工学研究科のZhang Xishuo大学院生、多元物質科学研究所の岩瀬和至准教授らの研究グループは、高圧条件下でのCO₂電解反応において、圧力で反応性を変化させる新しい反応メカニズムを明らかにしました。本研究では、最大20 メガパスカル（MPa）の高圧条件での電気化学実験に第一原理計算を組み合わせることで、CO₂還元反応の圧力依存性を体系的に解析しました。その結果、CO₂圧力を5～15 MPaまで上げると、溶解度増加により反応活性が向上する一方、さらに高圧になると電極表面でのCO₂被覆率が高まり、電子移動特性が変化することで反応経路が変わることが明らかになりました。

本研究は、高圧CO₂電解において単なる濃度増加効果だけでなく、表面被覆による電子状態変化が反応選択性を決定する重要な要因であることを初めて示したものです。この知見は、CO₂から燃料や化学品を製造する電解プロセスの設計に新たな指針を与えるとともに、将来的には高圧電解を利用した高効率カーボンリサイクル技術の開発や、再生可能エネルギーを利用した化学品製造プロセスの実用化に貢献することが期待されます。

本研究成果は、米国化学会が発行する学術誌ACS Catalysisに2026年5月15日（米国時間）付で掲載されました。

図1. 金（Au(110)）およびスズ（Sn(100)）触媒上におけるCO₂還元反応経路の自由エネルギー（1/9MLは9つのCO₂吸着サイトにCO₂分子が1つ吸着していることを示します）。
(a) 金触媒：CO₂がCOOHなどの中間体を経て一酸化炭素（CO）へ変換されます。
(b) スズ触媒：CO₂がHCOO中間体を経てギ酸（HCOOH）へ変換されます。縦軸の「Gibbs自由エネルギー」は反応の進みやすさを表す指標で、値が低いほどエネルギー的に安定であり、反応が進みやすいことを意味します。

【用語解説】

注1.電気化学的二酸化炭素（CO₂）還元反応（CO₂RR）：電気分解反応によりCO₂を分解し、酸化物から酸素を減らすことで、化学的に有用な物質に変換する反応。

【論文情報】

タイトル：Non-Monotonic CO₂ Reduction Selectivity under High Pressure: From Concentration-Driven Regime to Charge-Transfer Regulation
著者：Zhang Xishuo（東北大学大学院工学研究科）、岩瀬和至（東北大学多元物質科学研究所）、高柳龍生（東北大学大学院工学研究科）、橋本祐介（東北大学学際科学フロンティア研究所）、笘居高明*（東北大学学際科学フロンティア研究所）
*責任著者：東北大学学際科学フロンティア研究所　教授　笘居高明
掲載誌：ACS Catalysis
DOI：10.1021/acscatal.6c00443

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 学際科学フロンティア研究所
教授　笘居 高明（とまい たかあき）
TEL: 022-217-5630
Email: takaaki.tomai.e6*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学 学際科学フロンティア研究所
企画部 広報担当
Email: fris-pr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）