炎から生まれた小さな触媒が、CO₂を燃料に変える

2026年11月10日公開

反応性の高い触媒を連続合成し、従来法より多くのメタンを生成

ニュース研究化学機械材料

どんな研究？

料理の火や、お風呂のお湯を支える都市ガス。その主成分はメタンです。このメタンを、工場の排ガスや大気から回収したCO₂と、再生可能エネルギーでつくった水素から製造できれば、CO₂を炭素資源として繰り返し利用できるようになります。この反応はCO₂メタネーションと呼ばれ、実用化に向けて実証が進んでいる技術です。ただし、CO₂と水素を混ぜるだけでは、メタンは効率よくできません。反応を助ける触媒が必要です。

これまで、ニッケルと酸化セリウムを組み合わせた触媒は、比較的安価で、CO₂からメタンを効率よくつくれる有望な材料として研究されてきました。さらに性能を高めるには、ニッケルを細かく、広く分散させ、酸化セリウムと接する場所を増やすことが有効です。しかし、そのための従来の製造方法は工程が複雑になりやすく、大量生産にはコストなどの課題がありました。

そこで、東京科学大学（Science Tokyo）の長澤剛（ながさわ・つよし）准教授と名古屋大学未来社会創造機構（研究当時）の中村真季（なかむら・まき）特任准教授らの研究チームは、ニッケルとセリウムを含む原料を水に溶かし、その溶液を霧にして炎の中へ送り込む火炎補助式噴霧熱分解法を、この触媒の合成に初めて用いました。細かな液滴から水分が急速に蒸発し、残った成分が熱によって変化することで、触媒となる微粒子ができます。従来のように乾燥や加熱などの工程を順に重ねる必要がなく、一つの流れの中で連続的につくれるため、大量生産にもつなげやすい方法です。

ここが重要

この方法で生成された触媒は、主に直径10～20ナノメートルという、髪の毛の太さの数千分の1ほどの微粒子で構成されています。触媒の反応は主に粒子の表面で起こります。このため、粒子が細かくなるほど、反応に使える場所が増えます。

今回の触媒は、従来の方法でつくったものと比べて、表面積が約15倍になりました。さらに、含まれるニッケルのうち、粒子の表面に露出して反応に参加できる割合も約7倍に増えました。つまり、同じくらいの量のニッケルを使っても、より多くの場所で反応を進められる構造になったのです。

詳しく調べると、触媒の表面には酸素原子の抜けた場所が多くできていました。ここがCO₂を取り込み、反応を始めるきっかけになります。さらに、ニッケルと酸化セリウムが接する場所や、水素を分解して反応に使える形にする役割を担う、還元されたニッケルも増えていました。CO₂と水素の両方を反応させる場所が増えたことで、触媒全体の性能が高まったと考えられます。

その結果、400℃では、送り込んだCO₂の83％に相当するメタンが得られ、理論上の上限に近い性能を示しました。また、少ないニッケル量でも、300℃でのメタン生成速度は、これまでに報告された同種の触媒と比べて高い水準に達しました。

今後の展望

この方法は、触媒となる微粒子を連続的に製造できるため、大量生産への展開が期待されます。今後は、炎の温度などが粒子の大きさや構造をどう左右するかを調べ、高い性能を長く保てる触媒の製造条件を探ります。また、製造規模を大きくしても同じ品質を保てるよう、装置の改良も進めます。こうした取り組みの先には、炎から生まれる小さな触媒によって、回収したCO₂が暮らしを支える燃料へ変わる未来が見えてきます。

研究者のひとこと

炎の中では、温度などのわずかな違いで、できる粒子の大きさや働きが変わります。そこで何が起きているのかを一つずつ明らかにし、狙いどおりの粒子をつくれる技術につなげたいです。将来は、高性能な触媒をより簡単に、たくさんつくれるようにし、CO₂を資源として生かす社会に貢献したいと考えています。また、火炎を用いた粒子合成技術は、今回紹介した触媒以外にも、燃料電池やバッテリー用の材料、蛍光材料など、いろいろな材料の製造ができる技術です。これからも研究を発展させ、幅広い応用の可能性を見つけていきたいと考えています。
（長澤剛：東京科学大学工学院機械系准教授）