在150℃以下的低温下，可从CO2中选择性合成CO的新催化剂技术！

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摘   要：研究小组利用自主开发的催化剂，以二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）为原料，成功在150℃以下的低温下制造出在化学工业中有用的一氧化碳（CO）。

关键字：催化剂与资源化学工艺、CO₂回收再利用、资源与能源有效利用技术、清洁催化剂、表面等离子体共振效应

 要点

• 利用自主开发的催化剂，以二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）为原料，成功在150℃以下的低温下制造出在化学工业中有用的一氧化碳（CO）。

• 二氧化碳是导致全球变暖的原因物质，因此迫切需要开发一种在低温下将二氧化碳转化为有用物质的催化剂技术。

• 利用废热和太阳能，将要求减排的二氧化碳回收再利用成有用物质的清洁催化剂技术备受期待。

概要

研究小组（由AIpatent认证专家库成员组成，欲知详情可联络[e-mail]）利用自主开发的催化剂，以二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）为原料，成功在150℃以下的低温下制造出在化学工业中有用的一氧化碳（CO）。

图1.由二氧化碳和氢气制造一氧化碳的新催化剂技术

CO₂是导致全球变暖的原因物质，全球都在为减少CO₂排放而努力。通过还原CO₂得到的CO是有用的化学原料，可用作有机合成中的羰基原料、酒精、汽油或喷气燃料等液态烃的原料。在本研究之前，使CO₂与H₂反应得到CO的反应（逆水煤气变换反应）存在以下课题：需要500℃以上的高温，且由于平衡限制，在低温下只能得到较低的反应速率，效率低下。

到目前为止，研究小组已经在全球范围内率先宣布，在氧化钼上负载铂（Pt）纳米颗粒而得到的催化剂对于从含氧化合物中去除氧原子的反应（脱氧反应）来说，是一种优异的催化剂。

此次，研究小组发现，将这种催化剂用于CO₂的氢化反应时，即使在140°C的低温下也能高效且选择性地生成CO（图1）。更有趣的是，用光照射催化剂后，可使反应速率最大提高到4倍左右。

该研究小组开发的催化剂具备在实际使用中不可或缺的基本要素，如其制备简单，是一种易于分离和回收的固体催化剂，可利用废热，即使在低温（140°C左右）下也能发挥作用。此外，该催化剂的特征是，用可见光照射后，可提高反应速率。该技术作为一种清洁催化剂技术备受期待，能够将今后越发迫切需要减排的CO₂转化为工业上的有用物质。此外，已经通过实验证实，本次发现的光照射促进催化反应这一现象的原因是氧化钼的表面等离子体共振效应，这在学术上也是非常有意义的。

研究背景

CO₂是导致全球变暖的原因物质，全球都在为减少CO₂排放而努力。日本提出到2050年实现CO₂等温室效应气体净零排放的目标，并要求开发出一种将CO₂作为碳资源回收并将其作为有用物质再利用（CO₂回收和利用）的技术。

通过还原CO₂得到的CO是有用的化学原料，可用作有机合成中的羰基原料、酒精、汽油或喷气燃料等液态烃的原料。在工业上，通过使焦炭和天然气中所含的甲烷气体与水蒸气在800°C或更高的高温下反应来制造CO。如果可以高效地将CO₂转化为CO，预计可以同时实现CO₂排放量的削减和有用化学原料的制造，从而有助于解决全球变暖和化石资源枯竭的问题。但是，在本研究之前，使CO₂与H₂反应得到CO的反应（逆水煤气变换反应）存在以下课题：需要500℃以上的高温，在低温下只能得到较低的反应速率，效率低下。

研究内容

到目前为止，研究小组已经在全球范围内率先宣布，在氧化钼上负载Pt纳米颗粒而得到的催化剂对于从含氧化合物中去除氧原子的反应（脱氧反应）来说，是一种优异的催化剂。此次，研究小组发现，将这种催化剂用于CO₂的氢化反应时，能够高效且选择性地生成有用CO。更有趣的是，用光照射催化剂后，可使反应速率最大提高到4倍左右。特别是，将Pt纳米颗粒固定在厚度约为40nm的纳米片状氧化钼上而得到的催化剂与使用颗粒状氧化钼的情况相比，可以获得约1.5倍的CO生成速率，在包括可见光在内的光照射下，能够以1.2mmol/g/h的反应速率生成CO（图2、图3）。这项研究成功的关键在于，通过将氧化钼与Pt纳米颗粒结合，（i）能够很好地控制作为活性位点的氧缺陷的形成，（ii）氧化钼的颜色发生变化并显示可见光的吸收特性。

图2.开发的催化剂的扫描电子显微镜图像（左）和透射电子显微镜图像（右）

图3. 将开发的催化剂在可见光的照射下用于反应时的CO生成速率的比较。UV、Vis和IR分别表示照射紫外线、可见光和红外线。

研究意义

该研究小组开发的催化剂具备在实际使用中不可或缺的基本要素，如其制备简单，是一种易于分离和回收的固体催化剂，可利用废热，即使在低温（140°C左右）下也能发挥作用。此外，该催化剂的特征是，用可见光照射后，可提高反应速率。此外，该催化剂的特征是，用可见光照射后，可提高反应速率。

该技术作为一种清洁催化剂技术备受期待，能够通过与可再生能源氢和太阳能相结合，将今后越发迫切需要减排的CO₂高效转化为有用物质。此外，已经通过实验证实，本次发现的催化剂反应的原因是氧化钼的表面等离子体共振效应，这在学术上也是非常有意义的。

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翻译：王宁愿

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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