日本化学会

金属触媒によるエタノール合成

Ethanol Synthesis over Metal Catalysts

持続可能な社会を実現するために，CO₂と再生可能エネルギー由来のH₂を原料とした有用物質（CO，CH₄，CH₃OH，炭化水素類など）の合成手法が検討されている。近年では，エタノールを目的生成物とする触媒反応の検討が活発になってきた。出発炭素源をCO₂とした場合，エタノール合成では，（1）CO₂のC＝O結合の解離と（2）C-Cのカップリングを同時に行う必要があり，難度の高い触媒反応である。そのため，エタノール合成反応機構を正確に理解し，新規触媒の設計・開発につなげていく必要がある。
　エタノール合成触媒では，担持金属種の原子分散やクラスター分散に着目したものが報告されている。BaiらはPd₂Cu合金ナノ粒子を触媒にすることでエタノール合成を達成している^1）。合金化によりPd単原子を触媒表面に形成させる手法を採用している。Zhengらは窒素ドープカーボンの一部をリンで置換したCNPという材料にRh単原子を埋め込んだ^2）。この触媒では，エタノール選択率・CO₂転化率が非常に高い値を示した。またLouらは，Pd₂/CeO₂触媒を報告している^3）。CeO₂上にPd₂O₄というPd二量体を形成させることが鍵であった。
　提案されている反応機構^1～3）は以下のとおりである。まずCO₂水素化により，CO（逆シフト反応）とメトキシ種（CH₃O-，メタノール合成中間体）を生成する。次に，これらを活性金属上にてカップリングさせ，アセチル種（CH₃CO-）を形成する。最後に，これを水素化することでエタノールを得る。金属種を担体上に分散させることにより，金属種と担体の相互作用が強まり，C-Cカップリングに適した活性サイトになると考えられている。金属触媒での触媒探索はまだ始まったばかりであり，今後の展開に期待したい。

1） S. Bai et al., J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6827.
2） K. Zheng et al., Appl. Catal. B 2024, 346, 123730.
3） Y. Lou et al., Appl. Catal. B 2021, 291, 120122.

多田昌平 北海道大学大学院工学研究院