是光生電子的還原作用，還是熱點？—闡明世界最快水準CO2光燃料化活性的作用機制—
包含千葉大學在內的研究團隊，開發出具有世界最快水準CO2光燃料化活性的Ni–Ru–ZrO2催化劑。他們成功識別並闡明了光生電子和熱點在將CO2轉化為甲烷過程中的作用。這項成就預計將為開發高效CO2光還原催化劑提供指導。
📋 文章處理履歷
- 📰 發表: 2026年4月3日 19:00
千葉大學大學院融合理工學府博士前期課程的佐佐木將人先生、博士後期課程的大弓知輝先生、原慶輔先生（研究當時）、同大學院理學研究院的泉康雄教授，以及中國成都生物氣體科學研究所的張宏偉副教授組成的研究團隊，成功地在將二氧化碳（CO₂）轉化為天然氣和城市燃氣主要成分甲烷（CH₄）等燃料的光催化反應中，明確識別並確定了長期以來成謎的「光生電子（註1）的反應」和「熱點（註2）的反應」的作用。
此外，他們開發了一種複合催化劑，**Ni–Ru–ZrO2催化劑**，結合了鎳（Ni）、釕（Ru）和氧化鋯（ZrO2），實現了世界最快水準的CO2轉化為CH4的速度，達到每小時每克催化劑10毫莫耳。這項研究成果闡明了光催化作用機制與催化劑溫度的關係，預計將為提高CO2光還原催化劑的效率提供指導。這項研究成果已於2026年3月20日（美國時間）在美國化學會期刊《Journal of the American Chemical Society》上發表。
(論文連結在此：10.1021/jacs.5c17533)
圖1. 將催化劑置於水冷反應器中進行CO2光還原反應測試。圖2. Ni–Ru–ZrO2催化劑CO2光還原作用的概念圖。
■ 研究成果
如果能利用太陽能以可再生方式將CO2轉化為燃料或化學物質，就能建立一個新的碳中和循環。傳統的光催化技術面臨的主要挑戰是能量轉換效率低。此外，在光照下的反應中，光催化劑吸收的光能會轉化為電荷分離和熱（熱點），這複雜地依賴於照射的紫外可見光的強度和溫度，因此CO2還原的反應途徑一直不明確。
1. 為探究CO2還原反應途徑，將開發的Ni–Ru–ZrO2催化劑與傳統的Ni–ZrO2催化劑進行比較。在每平方公分光強度568毫瓦（mW/cm2）（註3）的條件下，進行了有無反應器水冷的CO2光還原反應測試（圖1、2）。
2. 在光強度654 mW/cm2下，在有無乙二醇（註4）冷卻的條件下，追蹤了Ni、Ru、Zr原子各自的溫度。在冷卻條件下，證實光生電子將CO2還原為COH，並在約126℃的Ni表面上，反應速度比熱催化反應加速7倍，進一步還原為甲烷（圖2左）。
3. 在無冷卻條件下，Ni–Ru–ZrO2催化劑以每小時每克催化劑超過9毫莫耳的高速生成甲烷，加入Ru使反應速度加快2.7倍。此外，密度泛函理論（DFT）計算（註5）顯示，Ru使得CO2能夠吸附，且僅憑光能產生的加熱即可進行甲烷化反應（圖2右）。
■ 未來展望
這項研究改進了利用光能將CO2轉化為燃料（甲烷）的光催化劑，證明Ni–Ru–ZrO2催化劑以世界最快水準促進CO2光甲烷化，並科學證明了金屬奈米粒子中熱點的催化作用。未來，我們將繼續提高利用太陽能進行可持續CO2資源化技術的效率，例如C2、C3化合物（註6）和酒精的合成等。
■ 術語解釋
註1）光生電子：當施加光等能量時，物質內部的負電荷（即電子）與正電荷分離，此現象稱為電荷分離。在這些電荷重新結合之前，光生電子在光催化劑中引起還原反應，正電荷引起氧化反應。
註2）熱點：光被物質在原子級局部吸收時，該區域溫度升高的限定區域。
註3）毫瓦（mW/cm2）：瓦特（W）是每秒的能量（焦耳）。1焦耳 = 1牛頓 × 米。此處表示每平方公分每秒照射的能量。
註4）乙二醇：化學式HOC2H4OH的液體，用於防凍劑。在用同步輻射X射線追蹤各原子溫度時，由於其比水浴產生更少的氣泡，因此在此次實驗中使用。
註5）密度泛函理論（DFT）計算：量子力學中關於電子的波函數作為電子密度的函數來表達的理論，用於研究電子數量多的體系的穩定結構、能量和電子狀態。
註6）C2、C3化合物：分子中含有兩個或三個碳原子的化合物。具體指乙烷、丙烷、乙烯、丙烯。
■ 論文資訊
標題：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
期刊名稱：《Journal of the American Chemical Society》
DOI：10.1021/jacs.5c17533
■ 研究計畫
本研究得到以下支援：
・ 科學研究費補助金 基盤研究B「不飽和半導體-金屬奈米粒子光催化劑實現CO2向各種C2,3產物的靈活精確控制」（24K01522）
・ 科學研究費補助金 基盤研究B「合金奈米粒子–超薄層半導體複合表面上的CO2光多電子還原與同位素標記物種時空追蹤」（20H02834）
* 詳細內容請參閱下方PDF。
此外，他們開發了一種複合催化劑，**Ni–Ru–ZrO2催化劑**，結合了鎳（Ni）、釕（Ru）和氧化鋯（ZrO2），實現了世界最快水準的CO2轉化為CH4的速度，達到每小時每克催化劑10毫莫耳。這項研究成果闡明了光催化作用機制與催化劑溫度的關係，預計將為提高CO2光還原催化劑的效率提供指導。這項研究成果已於2026年3月20日（美國時間）在美國化學會期刊《Journal of the American Chemical Society》上發表。
(論文連結在此：10.1021/jacs.5c17533)
圖1. 將催化劑置於水冷反應器中進行CO2光還原反應測試。圖2. Ni–Ru–ZrO2催化劑CO2光還原作用的概念圖。
■ 研究成果
如果能利用太陽能以可再生方式將CO2轉化為燃料或化學物質，就能建立一個新的碳中和循環。傳統的光催化技術面臨的主要挑戰是能量轉換效率低。此外，在光照下的反應中，光催化劑吸收的光能會轉化為電荷分離和熱（熱點），這複雜地依賴於照射的紫外可見光的強度和溫度，因此CO2還原的反應途徑一直不明確。
1. 為探究CO2還原反應途徑，將開發的Ni–Ru–ZrO2催化劑與傳統的Ni–ZrO2催化劑進行比較。在每平方公分光強度568毫瓦（mW/cm2）（註3）的條件下，進行了有無反應器水冷的CO2光還原反應測試（圖1、2）。
2. 在光強度654 mW/cm2下，在有無乙二醇（註4）冷卻的條件下，追蹤了Ni、Ru、Zr原子各自的溫度。在冷卻條件下，證實光生電子將CO2還原為COH，並在約126℃的Ni表面上，反應速度比熱催化反應加速7倍，進一步還原為甲烷（圖2左）。
3. 在無冷卻條件下，Ni–Ru–ZrO2催化劑以每小時每克催化劑超過9毫莫耳的高速生成甲烷，加入Ru使反應速度加快2.7倍。此外，密度泛函理論（DFT）計算（註5）顯示，Ru使得CO2能夠吸附，且僅憑光能產生的加熱即可進行甲烷化反應（圖2右）。
■ 未來展望
這項研究改進了利用光能將CO2轉化為燃料（甲烷）的光催化劑，證明Ni–Ru–ZrO2催化劑以世界最快水準促進CO2光甲烷化，並科學證明了金屬奈米粒子中熱點的催化作用。未來，我們將繼續提高利用太陽能進行可持續CO2資源化技術的效率，例如C2、C3化合物（註6）和酒精的合成等。
■ 術語解釋
註1）光生電子：當施加光等能量時，物質內部的負電荷（即電子）與正電荷分離，此現象稱為電荷分離。在這些電荷重新結合之前，光生電子在光催化劑中引起還原反應，正電荷引起氧化反應。
註2）熱點：光被物質在原子級局部吸收時，該區域溫度升高的限定區域。
註3）毫瓦（mW/cm2）：瓦特（W）是每秒的能量（焦耳）。1焦耳 = 1牛頓 × 米。此處表示每平方公分每秒照射的能量。
註4）乙二醇：化學式HOC2H4OH的液體，用於防凍劑。在用同步輻射X射線追蹤各原子溫度時，由於其比水浴產生更少的氣泡，因此在此次實驗中使用。
註5）密度泛函理論（DFT）計算：量子力學中關於電子的波函數作為電子密度的函數來表達的理論，用於研究電子數量多的體系的穩定結構、能量和電子狀態。
註6）C2、C3化合物：分子中含有兩個或三個碳原子的化合物。具體指乙烷、丙烷、乙烯、丙烯。
■ 論文資訊
標題：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
期刊名稱：《Journal of the American Chemical Society》
DOI：10.1021/jacs.5c17533
■ 研究計畫
本研究得到以下支援：
・ 科學研究費補助金 基盤研究B「不飽和半導體-金屬奈米粒子光催化劑實現CO2向各種C2,3產物的靈活精確控制」（24K01522）
・ 科學研究費補助金 基盤研究B「合金奈米粒子–超薄層半導體複合表面上的CO2光多電子還原與同位素標記物種時空追蹤」（20H02834）
* 詳細內容請參閱下方PDF。
常見問題
這項研究的主要成果是什麼？
開發了一種將CO2轉化為燃料（甲烷）的Ni–Ru–ZrO2催化劑，達到了世界領先的活性水平，並闡明了其作用機制。
什麼是「光生電子的還原作用」和「熱點」？
前者指光照產生的電子還原CO2的反應，後者指光吸收導致催化劑局部高溫的區域。它們共同促進反應。
這項技術未來將如何應用？
預計將應用於進一步提高利用太陽能將CO2資源化的可持續技術效率，例如從CO2合成C2、C3化合物和醇類。