二酸化炭素（CO₂）の排出削減と有効利用は、地球温暖化対策における世界的な喫緊の課題です。なかでも、電気化学的にCO₂を一酸化炭素（CO）などの有用な化学原料へと変換する「CO₂電解還元（ElectroChemical Reduction：ECR）」は、再生可能エネルギーを活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による高効率なCO₂→CO変換には、反応選択性の高い触媒が不可欠です。従来は金や銀といった貴金属、あるいは銅などの遷移金属ナノ粒子が触媒として用いられてきましたが、これらはコストの高さや選択性の限界といった課題を抱えていました。加えて、これらはガス拡散電極にバインダーとともに担持する形で利用されますが、実用化に向けてはさらなる改善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錯体は高い選択性を示すものの、単分子の安定性や導電性の不足が実用化の障壁となっていました。
東北大学の藪研究室ではこれまでに、安価な青色顔料の一種である金属フタロシアニンを直接結晶化するプロセス（参考文献1）や、炭素材料上に結晶化させる手法（参考文献2）を開発し、高いCO₂→CO変換効率と耐久性を実現してきました（図1(1）・(2））。しかし、実用的応用にはさらなる高活性・高耐久性、そして質量活性（少量で高い触媒性能を発揮すること）の向上が求められていました。

　本研究では、これまで燃料電池や金属空気電池の触媒としても注目されてきた コバルトテトラアザフタロシアニン（CoTAP） に着目しました（図1(3））。CoTAPは、従来型のコバルトフタロシアニン（CoPc）の4つのベンゼン環（C₆H₆）をピリジン環（C₅H₅N）に置換した分子であり、CO₂分子との静電的相互作用や触媒活性中心での吸着能向上が期待される材料です。
今回、CoPcおよびCoTAPを導電性カーボン材料であるケッチェンブラック（KB）表面に結晶化させ、ガス拡散電極に塗布してCO₂電解還元を行いました。その結果、CoTAPを用いた電極において、98%以上のCO₂→COファラデー効率^（注3）、1 A/cm²を超える電流密度での高速電解、150 mA/cm²で112時間の長時間耐久性をを実現しました。さらに、従来のCoPcに比べて 3.77倍の質量活性 を示し、より少ない量の触媒で高い性能を発揮できることが明らかになりました。
　この高い性能は、①CoTAP結晶がCoPc結晶よりも電気抵抗が低く導電性が高いこと、②理論計算により、CoTAPが反応中間体をより効率的な吸着状態に安定化できること、に起因すると考えられます（図2）。
　さらに、これまで報告されている金属フタロシアニン系触媒と比較した場合、最大電流密度、触媒回転頻度、耐久性、質量活性、ファラデー効率のいずれの指標においても、CoTAPは極めて高い性能を示すことが明らかとなりました（図3）。