新領域創成科学研究科 物質系専攻
物性研究所 吉信研究室 D3
化学反応式に書かれていないこと
理科で習う化学反応式には、反応する前と後の物質が書かれています。では、その途中で、原子や分子に何が起きているのでしょうか?
分子は一瞬で別の物質に変わるわけではありません。原子同士のつながりが切れたり、新しいつながりができたりしながら、反応が進んでいきます。私は、反応式だけでは見えないこの「途中経過」を、原子・分子のレベルで観測する研究に取り組んでいます。
二酸化炭素を原料に
注目しているのは、二酸化炭素(CO₂)と水素から、燃料や化学製品の原料になるメタノールをつくる反応です。
ただし、物質を混ぜるだけで、目的の反応が簡単に進むとは限りません。化学反応を進めるためには、エネルギーの「山」を越える必要があります。この山の高さを「活性化エネルギー」と呼びます。
そこで登場するのが「触媒」です。触媒は、反応が進む別の道筋をつくり、乗り越える山を低くする働きをします。
反応の舞台は、触媒の「表面」
固体の触媒を使う場合、その表面が反応の舞台になります。分子が表面に①くっつき、②ほかの分子と反応し、③できた物質が離れていく。その間には、出発物質とも完成した物質とも違う、途中の姿が現れます。
表面にどのような原子が、どう並んでいるかによって、分子のくっつき方や反応の進み方は変わります。こうした表面での出来事を原子・分子の視点から調べるのが「表面科学」です。
私は、表面にいる分子の姿や変化を観測し、反応がどのような道筋で進むのか、どの段階で進みにくくなるのかを探っています。
反応の仕組みの理解が、次の触媒のヒントに
目指しているのは、反応の仕組みを理解し、より少ないエネルギーで、目的の物質をつくれる触媒を見つけるための手がかりを得ることです。
反応式の矢印の中には、まだ分かっていないことがたくさんあります。その途中を一つずつ明らかにすることで、二酸化炭素を資源として利用する技術につなげたいと考えています。