千叶大学大学院融合理工学府博士前期课程的佐佐木 将人先生、博士后期课程的大弓 知辉先生、原 庆辅先生（研究当时）、同校大学院理学研究院的泉 康雄教授，以及中国成都生物所的张 宏伟副教授的研究团队，在利用二氧化碳（CO₂）转换为天然气或都市瓦斯的主成分甲烷（CH₄）等燃料的光触媒反应中，成功明确识别并确定了长期以来成为谜团的「光诱导电子（注1）的反应」与「热点（注2）的反应」所扮演的角色。 此外，他们开发了结合镍（Ni）、钌（Ru）及氧化锆（ZrO₂）的 Ni–Ru–ZrO₂触媒 ，并达成 CO₂ 转换为 CH₄ 的世界顶尖转化速度，达到每小时每克触媒 10 毫莫耳的水平。本研究阐明了光触媒的温度响应性光触媒作用机制，预期将能为 CO₂ 光还原触媒的高效率化提供指导方针。本研究成果已于 2026 年 3 月 20 日（美国时间）发表于美国化学学会期刊 Journal of the American Chemical Society。 （论文链接：10.1021/jacs.5c17533） 图1. 在置有触媒的反应器中，边用水冷却边进行 CO₂ 光还原反应试验。 图2. Ni–Ru–ZrO₂ 触媒による CO₂ 光还原作用的概念图。 ■研究成果 若能利用太阳光能源以可再生方式将 CO₂ 转换为燃料或化学物质，便能创造新的碳中和循环。然而，传统光触媒技术面临能量转换效率低下的重大挑战。此外，在光照射下的反应中，光触媒吸收的光会转换为电荷分离及热（热点），且复杂地依赖于照射的紫外可见光强度和温度，因此 CO₂ 还原的反应路径不明。 1. 为了探究 CO₂ 还原反应路径，比较了开发的 Ni–Ru–ZrO₂ 触媒与传统的 Ni–ZrO₂ 触媒。在每平方公分（cm²）光强度为 568 毫瓦（mW/cm²）（注3）的条件下，进行了反应器有无水冷（图1、2）的 CO₂ 光还原反应试验。 2. 在光强度为 654 mW/cm² 的条件下，于有无乙二醇（注4）冷却的两种情况下，追踪了 Ni、Ru、Zr 原子各自的温度。在冷却条件下，光诱导电子将 CO₂ 还原为 COH，在约 126°C 的 Ni 表面上，相较于热触媒反应，反应加速了 7 倍，确认了其可进一步还原至甲烷的路径（图2左）。 3. 在无冷却的条件下，Ni–Ru–ZrO₂ 触媒以每小时每克触媒 9 毫莫耳以上的速度高速生成甲烷，Ru 的添加使反应速度加速了 2.7 倍。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算（注5），Ru 使得 CO₂ 吸附成为可能，仅借由光能量产生的加热，即可使甲烷化反应进行（图2右）。 ■未来展望 本研究改良了利用光能量将 CO₂ 转变为燃料（甲烷）的光触媒，并科学地证明了 Ni–Ru–ZrO₂ 触媒能以世界顶尖水准推动 CO₂ 光甲烷化，以及金属纳米粒子中热点的催化作用。未来，我们将朝向利用太阳光进行永续 CO₂ 资源化技术的进一步高效率化迈进，例如 C2、C3 化合物（注6）及酒精合成等。 ■术语解释 注1）光诱导电子： 施加光等后，物质内部的负电荷（即电子）与正电荷之间的距离拉开，称为电荷分离。在它们重新结合之前，光触媒中的负电荷引发还原反应，正电荷引发氧化反应。 注2）热点： 指光被吸收于物质中原子层级的局部区域，导致该区域变为高温的有限范围。 注3）毫瓦（mW/cm²）： 瓦特（W）是指每秒的能量（焦耳）。1 焦耳 = 1 牛顿 × 米。此处表示每平方公分每秒的照射能量。 注4）乙二醇： 化学式为 HOC₂H₄OH 的液体，用于防冻剂。在利用同步辐射 X 光束追踪各原子温度时，由于比水浴不易产生气泡，因此用于本次实验。 注5）密度泛函理论（DFT）计算： 量子力学中，一种将电子波动方程序表示为电子密度函数的理论，用于研究电子数较多的系统的稳定结构、能量及电子状态。 注6）C2、C3 化合物： 指分子中含有 2 或 3 个碳原子的化合物。具体而言，指乙烷、丙烷、乙烯、丙烯。 ■论文信息 标题： Charge Separation and/or Hot Spots: Clarification of Efficient CO2 Reduction over Ru–Ni Nanoparticles Compared to Photocatalysis on Ru–Ni–ZrO2 Composites 作者： Masahito Sasaki, Tomoki Oyumi, Keisuke Hara, Hongwei Zhang, and Yasuo Izumi 期刊名称： Journal of the American Chemical Society DOI： 10.1021/jacs.5c17533 ■研究项目说明 本研究得到了以下支持的实施： ・ 科学研究费助成事业