CO₂の排出削減と有効利用は、地球温暖化対策として世界的に喫緊の課題です。その中でも、電気化学的にCO₂を多様な有機化合物の中間体になるCOなどの有用化学原料へと変換するCO₂電解還元（Electrochemical CO₂ Reduction, ECR）は、再生可能エネルギーを利用したカーボンリサイクルの有力な手段として注目されています。
　しかし、ECRによりCO₂からCOへの変換を高効率に行うためには、CO₂→CO反応の選択性が高い触媒が必要となります。これまで金や銀などの貴金属や、銅などの遷移金属ナノ粒子が、CO₂変換のための電気化学触媒として用いられてきました。
　これらの触媒は、主に炭素からなるガス拡散電極状にバインダーと担持された触媒電極の形で使用されます。しかし、コストが高く、選択性が不十分であるなどの課題があり、限界を打破する新しい触媒設計が求められていました。
　一方、分子状触媒（特に金属フタロシアニンやポルフィリン系錯体）が高い活性を示す一方で、単分子の安定性や導電性の不足が実用化を阻んでいました。これらの既往の研究に対し、東北大学藪研究室では、金属錯体であり安価な青色顔料の一種である金属フタロシアニン系の材料を、炭素材料上に分子吸着させたり^1）、直接結晶化させるプロセス^2）によって触媒電極を作製し、燃料電池や水電解・ECRなど様々な電気化学反応の電極として高い選択性を実現してきました。そこでこれらの知見と情報科学の活用で様々な材料開発の効率を高めるマテリアルズインフォマティクス（MI）の知見を組み合わせ、触媒の電極における構造制御技術を駆使することにより、安価で高い選択性と耐久性を兼ね備えたECR触媒が実現できないかと考えました。

　本研究では、共同研究者であるHao Li教授のグループが開発したAIによる大規模データ解析を用いて触媒候補を探索し、その中で有望と判断されたCoPcを基盤分子に選定しました。さらに、CoPcを単分子ではなく、CoPc結晶を炭素粒子表面に形成させ、コアシェル型の構造を構築すること（図2）で、①反応比表面積を電極表面で増加させること、②電子伝達効率が向上し、触媒全体での電荷移動（Surface Charge Transfer）を促進させることを実現しました。
　実験の結果、–595 mA/cm²という高い電流密度、6,537 A/gという卓越した質量活性、さらに100時間以上にわたり90%以上のCO選択性（ファラデー効率、FE^注１）を維持するという、実用に近い性能が実証されました（図3）。これは、CO変換の最大電流密度、触媒回転頻度（Turn Over Frequency, TOF)、安定性、質量活性、変換効率（FE）のいずれの観点においても従来の金属錯体触媒の性能を上回る成果です（図4）。
　加えて理論計算により、この多層コアシェル構造が活性中心の電子状態を最適化し、反応経路を有利にすることが裏付けられました。

 

 

 

図3．コアシェル型触媒を用いたCO₂→CO変換の効率と耐久性。

 

図4．CO変換の最大電流密度（|J| CO）、触媒回転頻度（TOF)、安定性、質量活性、変換効率（FE）の観点での従来の金属錯体触媒との比較。