研究テーマResearch
常温常圧で液体（あるいは溶液）であるアルコールは、化学的に安定でありかつ比較的高いエネルギー密度（体積当たり）を有している（図１、(参)水素：13 MJm-3）。既に、サトウキビやトウモロコシからエタノールやエチレングリコール（バイオアルコール）が工業的に生産されている。最近では、バイオマスからのアルコール製造が商業化されており、バイオアルコールは安価な非石油系の燃料となりつつある。また、バイオアルコールは完全に燃焼しても、システム全体（well-to-wheel）としてのCO2排出による環境への影響が少ない燃料である。しかしながら、発酵によりバイオマスからアルコールを製造する際には、原料に含まれる特定の糖分の半分程度がアルコール（炭素収率＜51%）となり、残りはCO2として放出されるため、アルコールの合成効率は必ずしも高くはない。他方、ある種のバクテリアを用いれば、多様な糖を高効率的に酢酸（カルボン酸）に変換すること（炭素収率＜100%, (参)US6927048B2）ができる。また、我々の研究により、適切な触媒（アノード）を用いて、アルコールを選択的にカルボン酸に変換することで、完全にCO2排出のない燃料電池発電が可能となっている（Sci. Rep., (2014), Phys. Chem. Chem. Phys., (2015), PCT/JP2013/71735）。つまり、カルボン酸は世の中に多量に存在する（安価な）材料であると言える。もし、再生可能エネルギー由来の電気エネルギーを利用して、カルボン酸（バイオマス由来）から直接アルコールを製造することができれば、安価でクリーンなアルコールの製造が可能となる。しかしながら、電気化学的にカルボン酸からアルコールが合成された例はこれまで報告されていなかった。
これに対して、当研究室では二価カルボン酸であるシュウ酸の還元触媒を網羅的に探索し、TiあるいはTiO2のみが活性を示すことを明らかにした。さらに、高比表面積かつ１００％アナターゼ相のみからなる多孔性TiO2触媒を作成して電極に導入することで、カルボン酸（シュウ酸）からのアルコール様物質（グリコール酸）の電気化学的合成に世界で初めて成功した（Energy Environ. Sci., (2015)）。二酸化チタンを金属上に塗布しただけの簡易な構造のカソード上で、高効率に（ファラデー効率＞９５％）、つまり、水素発生なしにシュウ酸還元が進行することは特筆すべきである（図２）。
バナースペース
I2CNER
触媒的物質変換研究部門
山内グループ
グループリーダー：山内美穂
yamauchi@i2cner.kyushu-u.ac.jp