化学者たちは、光または電気を利用して二酸化炭素を一酸化炭素に変換する分子を開発した。これはカーボンニュートラルな燃料源となり、「炭素還元」の他のどの方法よりも効率的だ。
「この反応に十分効率的な分子を作ることができれば、燃料の形で貯蔵できる、コストのかからないエネルギーを生み出せます」と、研究を主導したインディアナ大学ブルーミントン校化学科准教授のリアンシー・リーは話す。「今回の研究は、その実現に向けた大きな飛躍です。」
一酸化炭素などの燃料を燃やすと、二酸化炭素が発生し、エネルギーが放出される。二酸化炭素を再び燃料に戻すには、少なくとも同じ量のエネルギーが必要だ。必要となる余分なエネルギーを減らすことが、科学者たちの大きな目標となってきた。
リーの分子が実現したのは、まさにこの点だ。一酸化炭素の生成を進めるのに必要なエネルギー量は、これまで報告された中で最も少ない。この分子は、ビピリジンとして知られる有機化合物を介して結合したナノグラフェン・レニウム錯体で、二酸化炭素を一酸化炭素に変換する非常に効率的な反応を引き起こす。
新しい分子は、ナノグラフェン錯体（左）で光を吸収し、二酸化炭素（上中央）を一酸化炭素（右）に変換する反応を促す。
一酸化炭素だけを効率的に生成できることは、この分子の汎用性という点で重要だ。
「一酸化炭素は多くの工業プロセスで重要な原料です」とリーは話す。「また、すでに取り除いた以上の炭素を大気に戻さずに済むため、カーボンニュートラルな燃料としてエネルギーを貯蔵する方法でもあります。燃料を作るのに使った太陽エネルギーを、再び放出しているだけなのです。」
この分子の効率の秘密はナノグラフェンにある。これは、炭素の一般的な形態である黒鉛（鉛筆の芯に使われる黒い部分）のナノメートルサイズのかけらだ。その黒い色が大量の太陽光を吸収する。
リーによると、ビピリジン金属錯体を使って太陽光で二酸化炭素を一酸化炭素に還元する研究は、長年行われてきた。しかし、こうした分子が利用できる太陽光はごく一部にすぎず、その大半は肉眼では見えない紫外線領域だ。これに対して今回の分子は、ナノグラフェンの光吸収能力を利用し、波長600ナノメートルまでの太陽光で反応を起こす。これは可視光スペクトルの大部分にあたる。
リーによれば、この分子は基本的に二つの部分からなるシステムとして働く。太陽光のエネルギーを吸収するナノグラフェンの「エネルギー収集器」と、一酸化炭素を生成するレニウム原子の「エンジン」だ。エネルギー収集器がレニウム原子へ電子の流れを生み出し、その原子が通常は安定した二酸化炭素と繰り返し結合して、一酸化炭素に変換する。
ナノグラフェンを金属に結び付けるという発想は、この炭素系素材を使ってより効率的な太陽電池を作ろうとしたリーの以前の取り組みから生まれた。「私たちはこう考えました。太陽電池という仲介役を省き、ナノグラフェンの光吸収特性だけで反応を進められないだろうか」と彼は話す。
次にリーは、分子の性能を高める計画だ。より長持ちさせ、液体でない状態でも機能するようにする。固体触媒のほうが実社会で使いやすいためだ。また、分子に含まれる希少元素のレニウム原子を、より一般的で安価な金属であるマンガンに置き換える研究も進めている。
この研究はインディアナ大学研究担当副学長室と米国国立科学財団の支援を受け、次の学術誌に掲載された。米国化学会誌。
