触媒：CO2からエチレンへの変換の分子的チューニング
Nature 577, 7791 doi: 10.1038/s41586-019-1782-2
再生可能電力を駆動力とする、二酸化炭素の電極触媒還元による有用な燃料や工業原料の生産は、断続的な再生可能資源によって生成されるエネルギーの持続可能かつカーボンニュートラルな貯蔵方法をもたらす。しかし、二酸化炭素還元反応（CO2RR）によってエチレンなどの経済的に望ましい生成物を高選択的に生成することは、依然として課題である。望ましい反応経路を選択するよう中間体の安定性を調整することによって選択性が向上する場合があり、この方法は最近、銅表面での反応で、形態、粒界、ファセット、酸化状態、ドーパントを制御することによって探究されている。残念ながら、中性媒体中ではエチレン生成のファラデー効率がまだ低く（これまで報告された中で最良の触媒の場合で部分電流密度7 mA cm−2において60％）、結果としてエネルギー効率が低くなっている。今回我々は、エチレンを生成するCO2RRの選択性を向上させるために、中間体を安定化する分子的チューニング戦略として、有機分子を用いる電極触媒表面の機能化を提示する。我々は、電気化学的operando/in situ分光研究と計算機研究を用いて、銅表面に吸着した分子ライブラリー（アリールピリジニウムの電気的二量体化によって得られた）の影響を調べた。その結果、付着した分子が「atop結合型」CO中間体（すなわち1個の銅原子と結合した中間体）の安定性を向上させることで、エチレンを生成するさらなる還元反応が選択されることが見いだされた。また、この戦略の結果として、液体電解質フローセルにおいて中性媒体中での部分電流密度が230 mA cm−2のとき、エチレンを生成するCO2RRのファラデー効率が72％になることを報告する。20％のフルセルエネルギー効率をもたらす膜電極接合体に基づく系において、安定なエチレン電解合成が190時間にわたって持続した。今回の手法が一般化されれば、局所的な分子的チューニングを通した中間体の安定化によって分子的戦略が不均一系触媒を補完できる可能性があると、我々は予想する。
