材料科学：電場に誘起される試薬の濃縮による二酸化炭素の電極触媒還元の促進
Nature 537, 7620 doi: 10.1038/nature19060
二酸化炭素（CO2）から一酸化炭素（CO）への電気化学的還元は、再生可能電力を使ってより複雑な炭素系燃料や原料を合成する過程の第1段階となる。残念なことに、この還元反応は、典型的なCO2還元反応触媒の周辺における局所的CO2濃度が低いため、反応速度が遅い。この制約は、アルカリ金属カチオンが吸着試薬種と非共有結合的に相互作用することによって克服されることが知られているが、その効果は関係する塩の溶解度によって制限される。印加電極電位を高くすることによってもCO2吸着を促進できるが、この方法だと水素（H2）の発生が増えるという代償を伴う。今回我々は、ナノ構造電極が、低い印加過電圧で高い局所電場を生成し、その電場で電解質カチオンが濃縮されることによって、CO2還元反応の活性表面近傍での高いCO2局所濃度が得られることを報告する。準平面電極領域と比較すると、ナノメートルサイズの金属ティップの電場が10倍になることが、シミュレーションによって明らかになった。また、金ナノニードルを用いた測定では、電場に誘起される試薬濃縮によって、−0.35 V（0.24 Vの過電圧）においてCOについて22 mA cm−2の幾何学的電流密度でCO2還元反応が進行可能になることが確認された。この性能は、最良の金ナノロッド、ナノ粒子、酸化物由来貴金属触媒の性能よりも1桁高い。また、同様の設計のパラジウムナノニードル電極触媒を使用すると、90％を超えるファラデー効率でギ酸塩が生成され、−0.2 Vにおいてギ酸塩について10 mA cm−2という前例のない幾何学的電流密度が得られた。この結果は、電場に誘起される試薬濃縮という概念がより広く応用可能であることを実証するものである。
