Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction

大気は、熱を閉じ込め、気候変動を促進するガスである二酸化炭素で満たされています。自然界は長らく、植物が空気中からこのガスを取り出すことに頼ってきましたが、科学者たちは電気を使ってこれを行う方法を模索しています。「電気化学的還元」として知られるこのプロセスは、再生可能エネルギーを使用して二酸化炭素を水と反応させ、廃棄物を有用な燃料や化学物質へと変えるものです。課題はその化学反応にあります。二酸化炭素は非常に安定した分子であり、変化に抵抗するため、研究者がそれを分解しようとすると、しばしばさまざまな物質の乱雑な混合物が生じたり、単に目的の燃料ではなく水素ガスが生成されたりしてしまいます。これを解決するために、科学者たちは、望ましい燃料（合成燃料の鍵となる成分である一酸化炭素など）を正確に生成するように反応を導き、不要な副反応にエネルギーを浪費させないための、「触媒」と呼ばれる特別な材料を必要としています。

最近の研究において、イタリアの国立研究評議会とミラノ・ビコッカ大学の研究者たちは、銀と銅という2つの一般的な金属を用いて、新しいタイプの触媒を設計することでこの問題に取り組みました。彼らは、これら2つの金属を薄い層として組み合わせることで、両方の利点を得られるかどうかを確かめたいと考えました。銀は一酸化炭素を作るのが得意であることで知られており、一方で銅は炭素原子を結合させる能力で有名ですが、しばしば多すぎる種類の生成物を作ってしまいます。研究チームは、真空中で金属原子を表面に吹き付ける手法である「物理蒸着法」を用い、カーボンクロス（炭素布）にこれらの金属をコーティングしました。各金属をどの程度吹き付けるかとその速度を注意深く制御することで、彼らは銀と銅の比率が異なる一連の薄膜を作成しました。彼らの目標は、材料が高い選択性を持ち、水素ガスの生成を最小限に抑えつつ、主に一酸化炭𝗼を生成できる完璧なバランスを見つけ出すことでした。

研究者たちはまず、金属の堆積量が触媒の形状と性能にどのように影響するかをテストすることから始めました。彼らは一定の時間、金属をカーボンクロス上に吹き付けましたが、その際にプロセスを駆動する電流値を変化させました。その結果、低い電流を使用すると、より小さく散らばった金属粒子が形成され、高い電流を使用すると、表面をより広く覆う大きな塊が形成されることが分かりました。驚くべきことに、最も重い金属負荷量を持つサンプルが最も優れた性能を示したわけではありませんでした。むしろ、低い電流で堆積させた適度な量の金属を持つ触媒が、より優れたバランスを提供しました。これらのサンプルは、反応が起こるのに十分な表面積を持ちながら、化学変化に必要な活性サイトをブロックしてしまうような過密状態を回避していました。このことは、単に金属を増やすことが答えではなく、金属原子の配置とアクセスのしやすさがはるかに重要であることを示唆していました。

次に、チームは銀と銅の比率に焦点を当て、銀が金属含有量の75パーセント、50パーセント、または25パーセントを占める混合物をテストしました。彼らは、膜の組成が触媒の生成物に直接的な影響を与えることを発見しました。銅が豊富なサンプルは、エネルギーを浪費する競合反応である水素ガスをより多く生成する傾向がありました。対照的に、銀が多いサンプルは、反応を一酸化炭モへの生成へと導くことに非常に優れていました。最も成功した触媒は、銀75パーセント、銅25パーセントを含む膜でした。この特定の混合物は、一酸化炭素に対して47パーセントの変換効率を達成しました。これは、システムに入る電気電流のほぼ半分が目的のガスを作るために使用されたことを意味します。この性能は、純粋な銀で作られた触媒に匹敵するものであり、このバイメタリック（二金属）システムが、純粋な金属と同等の効率を持ちながら、最適化のための調整可能なプラットフォームを提供できることを実証しました。

実験を通じて、研究者たちは強力な顕微鏡やX線ツールを使用して、触媒を詳細に観察しました。彼らは、銀と銅の原子がカーボンクロス上に均一に広がっており、金属の独立した島状ではなく、均一な層を形成していることを確認しました。また、金属原子が特定の種類の合金構造、つまり2つの金属が原子レベルで混ざり合った構造を形成していることも観察しました。この構造の安定性をテストするために、彼らはサンプルを加熱する別の実験を行いました。その結果、合金が純粋な銀と純粋な銅に分離し、性能が著しく低下することを発見しました。これにより、混合された金属の状態が触媒がうまく機能するために不可欠であることが確認されました。分離した相では活性が低くなるためです。研究では、液体の酸やアルコールなどの他の可能性のある生成物についてもチェックしましたが、ごくわずかな量しか検出されず、反応が非常に一酸化炭素と水素の生成に集中していることが示されました。

この研究は、組成と塗布方法を注意深く調整することで、非常に効果的な触媒を作成することが可能であることを示しています。研究者たちは、物理蒸着法を用いることで、金属の負荷量と元素の比率を精密に制御でき、効率的かつ経済的な材料が得られることを示しました。現在の結果は有望ですが、著者らは、二酸化炭素ガスの圧力や反応セルの具体的なセットアップなどの要因によって、性能をさらに向上させる余地があるとも述べています。現時点では、この研究は、銀と銅の単純で制御された混合物が、二酸化炭素を価値ある化学的構成要素へと変換するための堅牢なプラットフォームとして機能することを証明し、明確な進むべき道を示しています。