「手性」形状を持つ触媒は、科学者に二酸化炭素を有用な化学物質に変換するプロセスを制御する新しい方法を提供する可能性があります。二酸化炭素を有用な化学物質に変換するプロセスは、予期しない副反応として水素ガスが生成されるために複雑化しており、この問題は科学者たちを長年悩ませてきました。しかし、現在、ロッキー山国立研究所（NLR）の研究チームが解決策を見つけました。彼らの最新の研究では、銅をねじって螺旋状の手性構造にすることで、その表面の電子スピンを操作し、そのスピンを利用して二酸化炭素還元プロセス中に水素ガスを押し出すことができることを示しています。
彼らの手性銅触媒は、二酸化炭素還元を有用な炭素製品に導く新しい道を提供するかもしれません。
手性銅触媒の二酸化炭素還元への応用
銅のねじれ研究者は、手性テンプレート試薬を用いて電気沈着法で螺旋状の銅構造を持つ電極を製造しました。手性とは簡単に言えば、物体が左右の手のバージョンを持ち、互いに鏡像であることを指します。重要な概念は、手性誘導スピン選択性（CISS）効果です。電子が手性構造を通過すると、その構造は特定の方向の電子スピンを好むことができます。したがって、ねじれた銅はある程度、電子スピンのフィルターとして機能することができます。研究チームは、pH 7.8の1 M重炭酸カリウム（KHCO₃）溶液中で二酸化炭素還元実験を行い、その結果、手性銅が一酸化炭素と蟻酸を生成する一方で、水素ガスの生成が減少することを示しました。
対応する非手性電極は同様の挙動を示しませんでした。この発見は、二酸化炭素を有用な燃料に変換する電気化学システムを開発するというより広範な努力に基づいています。
研究の著者の一人であるVan de Lagemaatは、「私たちは、二酸化炭素還元反応を行う際に、手性構造を使用した場合に生成される目標の一酸化炭素と蟻酸の製品効率が高く、水素ガスの生成が抑制されることを観察しましたが、無手性電極を使用した場合にはこの挙動は示されませんでした。これは、手性触媒構造がこれらの反応に強い影響を与えることを示しています。」と述べています。
未来の触媒設計の方向性
電子スピンの動作を観察することは重要ですが、生成物の変化を観察するだけでは不十分です。研究者は、自身のスピンが実際に関与していることを証明する証拠が必要です。彼らは、時間分解Kerr楕円度（TRKE）という超高速光学技術を使用して、電子スピンに関連する変化を検出しました。実験では、超高速のSeebeck電流を使用してスピン偏極キャリアを生成し、材料内でのその運動を追跡しました。測定結果は、手性銅表面にスピンの蓄積が存在することを示し、螺旋構造がスピン偏極を生み出すという見解を支持しています。提案された化学反応は驚くほど直感的です。水素分子は2つの水素原子を含み、その電子スピンはH–H結合を形成するために適切にペアリングされる必要があります。
H–H結合の形成には適切な電子スピンのペアリングが必要であるため、研究者はこのスピン偏極が水素の形成を不利にすることを提案しています。したがって、水素の生成が抑制され、二酸化炭素からの経路が一酸化炭素と蟻酸を生成するためのより多くの機会を残します。
この研究は、手性とスピンに関する研究の進展に基づいており、電気触媒制御のツールとしての可能性を示しています。例えば、2024年の論文では、手性誘導スピン選択性に関する証拠の増加と、それが電子輸送や化学反応の制御にどのように利用されるかが探求されています。その後の研究では、螺旋状にねじれた金ナノシートを利用して、高度に選択的な一酸化炭素の生成が報告されています。しかし、これらの方法とは異なり、新しい銅研究は、測定されたスピン偏極と競合する水素反応の抑制との関連に焦点を当てながら、一酸化炭素と蟻酸を生成することに注力しています。
化学工場の新しい制御ノブ研究者は、銅電極を完成した産業触媒とは見なしていません。むしろ、この研究はメカニズムの証拠を提供し、最終的にはエンジニアが二酸化炭素電解槽をより選択的にするのを助ける可能性があり、結果として不必要な水素や混合製品の関連コストを低下させることができます。他の研究者も、二酸化炭素を捕獲し、直接蟻酸に変換する電極を開発しています。このアイデアは二酸化炭素を超える可能性があります。研究チームは、手性触媒が窒素や一酸化炭素を含む還元反応の制御を助ける可能性があると提案しています。なぜなら、水素の生成は強く競合する可能性があるからです。より広い意味では、触媒設計はもはや組成、表面構造、反応条件にのみ集中するのではなくなるかもしれません。
触媒の手性とそれが電子に与えるスピンは、化学反応を導く別の方法となる可能性があります。この研究は『Nature Energy』誌に発表されました。