二酸化炭素を燃料や化学品に産業規模で変換するには、極めて安定したCO₂分子の炭素－酸素結合を切断するという根本的な化学的課題を克服する必要がある。固体酸化物型セルで800°Cの高温反応を行う電解は、理論上の効率的な経路として長らく注目されてきたが、触媒がこうした過酷な条件下で劣化しやすいことが課題だった。
中国科学院大連化学物理研究所（DICP）のチームは、ペロブスカイト系カソードにイリジウム原子を個別に固定し、800°Cでも原子レベルで分散した状態を維持する手法を実証した。7月18日付でNature Communicationsに発表された成果は、3.02 A/cm²という電流密度を600時間以上にわたり劣化なしで維持したもので、CO₂電解では最高水準の値である。
動作の仕組み
このデバイスは固体酸化物電解セル（SOEC）で、高温で酸素イオンを伝導するセラミック電解質を使用する。カソード側ではCO₂がCOとO²⁻イオンに分解され、イオンは電解質を通ってアノードに移動し、そこで再結合して酸素ガスとなる。全体の反応はCO₂ → CO + ½O₂である。
カソード材料はペロブスカイト（ランタンストロンチウム鉄酸化物、La₀.₆Sr₀.₄FeO₃₋δ、通称LSF）で、個別のイリジウム原子で装飾されている。重要なブレークスルーは、セルの製造と運転中に形成される「その場（in situ）強金属－担体相互作用（SMSI）」である。この相互作用は同時に二つの働きをする。イリジウム原子を固定して高温で単原子触媒を劣化させる原子移動と凝集を防ぐと同時に、ペロブスカイト表面の電子構造を変化させ、CO₂分子が結合・反応する活性サイトである酸素空孔の形成を促進する。
数値
未処理のLSFと比較して、イリジウム装飾カソードは電流密度を80.8%向上させ、1.5V、800°Cで1.67 A/cm²から3.02 A/cm²に上昇した。ファラデー効率（所望のCO生成物に使用される電子の割合）はほぼ100%であった。セルは600時間以上にわたり劣化の兆候なく動作した。
参考までに、最先端のSOECカソードは同様の条件で通常1.0～2.5 A/cm²を達成する。3.02 A/cm²の結果と卓越した安定性により、この触媒は高温CO₂電解の性能最前線に位置づけられる。
高温が重要な理由
室温付近で動作する低温CO₂電解は、通常100～500 mA/cm²を達成するにとどまり、競合する水素発生反応やCO₂の溶解度限界に悩まされる。800°Cでは、反応速度が指数関数的に加速し、必要な熱力学的電圧が低下する（安価な熱エネルギーで高価な電力の一部を代替できることを意味する）。また、セラミック電解質のイオン伝導度が劇的に上昇する。その結果、CO₂をはるかに高い速度で処理でき、COへの選択性もほぼ完全なシステムが実現する。
生成物である高純度一酸化炭素は貴重な工業原料であり、グリーン水素と組み合わせて合成ジェット燃料、メタノール、その他の炭化水素を製造できる。電力が再生可能エネルギー由来であれば、カーボンニュートラル燃料への道を開く。
注意点
イリジウムは1グラムあたり約150～200ドルの貴金属である。単原子レベルの担持量であっても、実用化の経済性はイリジウム含有量を極めて低く抑えることに依存する。600時間の安定性試験は研究室レベルの単一セルで行われたもので、実際の産業用デバイスには1万～4万時間の信頼性ある運転が必要である。800°Cの動作温度は、シール、インターコネクト、熱管理に高価な材料を必要とする。
本論文はS. Zhang、S. Wang、Y. Song、G. Wang、X. Baoらの共同研究として、Nature Communicationsに早期公開原稿として受理・掲載された（DOI: 10.1038/s41467-026-75580-x）。
出典
1. S. Zhang, S. Wang, H. Liu et al.,「Stable high-valent iridium single atoms for high-temperature CO₂ electrolysis」、Nature Communications（2026年）。DOI: 10.1038/s41467-026-75580-x
雅子 訳