電流で誘起される非熱的触媒反応の駆動原理を解明
杉本敏樹准教授（分子科学研究所：計画A03）
【概要】
分子科学研究所の斎藤晃特任助教、長坂将成助教（兼 総合研究大学院大学助教）、佐藤宏祐特任助教、杉本敏樹准教授（兼 総合研究大学院大学准教授）と早稲田大学の手塚玄惟大学院生、松本宜樹大学院生（当時）、関根泰教授らの研究グループは、リアルタイム質量分析と種々のオペランド分光計測を組み合わせたマルチモーダル分析によって、温室効果ガスの資源化において重要なメタンドライリフォーミング反応（Dry Reforming of Methane, DRM）が触媒への電流印加によって生成する電子や正孔によって低温で促進されるメカニズムを解明しました。これまで、触媒への電流印加効果として局所加熱や触媒表面での電界集中といった様々な仮説が提唱されてきたことで、触媒開発の設計指針は諸説混沌としている状況にありました。今回の研究成果は電流印加触媒プロセスの根本的な動作機構を確立したものであり、今後の触媒材料開発やプロセス最適化に向けた基礎となります。本研究成果は、アメリカ化学会の国際学術誌『The Journal of Physical Chemistry Letters』に、2025年12月11日付でオンライン掲載されました。
Abstract
Catalytic dry reforming of methane (DRM) is a key reaction for the sustainable utilization of major greenhouse gases, CO2 and CH4. However, conventional DRM often suffers from severe catalyst deactivation due to high temperature requirements. Applying direct current (DC) to catalysts has emerged as a promising strategy to overcome these limitations, yet the underlying DC-enhanced catalytic mechanisms remain elusive. Here, we unveil the nonthermal catalytic origin of DC-applied DRM over Pd/CeO2 through multimodal operando analyses. Spatially resolved operando infrared measurements revealed that key reaction intermediates specific to nonthermal DRM exclusively emerge on current-carrying regions of the catalyst surface under DC bias. Furthermore, operando infrared and visible absorption spectroscopy detected the trapped electrons and holes generated in CeO2 during DC application and revealed a clear correlation between the density of injected charges and the DRM activity. Soft X-ray spectroscopic analysis uncovers an unconventional pathway of hole generation in nominally n-type CeO2 under DC bias. These observations demonstrate that DC application induces distinct molecular and electronic species that promote CO2 reduction and CH4 oxidation in DRM via nonthermal pathways.
"H. Tedzuka, H. Saito, N. Matsumoto, M. Nagasaka, H. Sato, *Y. Sekine, *T. Sugimoto",Opt.Lett.2025"Nonthermal Catalytic Origin in DC-Enhanced Dry Reforming of Methane Unveiled by Multimodal Operando Analyses"