独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）能源技术研究部[研究部负责人长谷川博夫]太阳能转换组首席研究员姬田佑一郎与美国布鲁克海文国家实验室（以下简称“BNL”）高级化学家藤田悦子合作，正在致力于在常温常压下将氢气转化为水中的二氧化碳（CO）。2)甲酸 (HCO2H)并分解甲酸，适用于聚合物电解质燃料电池等一氧化碳 (CO)高效二氧化碳/甲酸相互转化，可供应高压氢气，不含8641_8674|Catalyst
新开发的技术是在日美清洁能源技术合作的基础上，AIST和BNL共同研究的活化催化剂和氢分子的新技术。Ligand的设计指南来实现的。此次开发的技术是一种催化剂技术，可以显着提高二氧化碳与甲酸相互转化反应的能量效率，有望带动未来利用二氧化碳进行大规模储氢系统的发展。
该研究成果于2012年3月19日（日本时间）发表在《英国科学杂志》上自然化学以电子版发布。
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| 使用质子响应和质子中继催化剂实现高效二氧化碳/甲酸相互转化 |
为了减少二氧化碳排放，建设可持续发展的社会，需要实现以氢这一清洁能源介质为基础的氢能社会。为此，安全有效地储存和运输能量密度低的氢气的技术至关重要。如果我们能够像光合作用的暗反应一样减少二氧化碳并储存氢（能量），我们就可以为实现氢社会做出贡献，并导致二氧化碳的有效利用。二氧化碳加氢得到的甲醇和甲酸在室温下为液态，具有较高的能量密度，因此作为易于储存和运输的储氢材料进行了研究和开发。然而，传统上，(1)二氧化碳转化过程是需要高压、高温条件的能量密集型过程，并且(2)为了将在逆反应过程中再生的氢气用于燃料电池等，必须产生导致燃料电池电极劣化的一氧化碳，(3)需要对释放的氢气进行加压以将其供应至燃料电池等。因此，希望开发一种能够显着提高转化反应的能量效率的高性能催化剂。氢的储存和释放。
产业技术研究院一直在进行通过二氧化碳加氢生产甲酸和通过分解甲酸生产氢气的研究。到目前为止，质子响应类型通过用配体活化催化剂，我们发现了世界最高水平的高性能催化剂，并在世界上首次成功地在常温常压下从水中的二氧化碳和氢气生产甲酸。此外，该公司成功地在100摄氏度以下的温度下在没有有机添加剂的情况下分解水中的甲酸并释放出不含一氧化碳的氢气，效率为世界最高，并拥有先进的储氢（形成甲酸）和释放（分解甲酸）过程的催化剂开发技术。另一方面，BNL参与人工光合作用催化剂的反应机理分析，质子继电器的氢活化技术技术这次，我们根据结合了两种催化剂技术的新催化剂设计指南开发了一种高性能催化剂。
这项研究开发得到了经济产业省“日美合作”的支持。能源与环境技术研究和标准化合作项目（日美清洁能源技术合作）”，是根据2009年11月13日举行的日美首脑会议上关于日美清洁能源技术合作的协议而实施的。
迄今为止在 AIST 开发质子响应催化剂中，在常温常压下，通过二氧化碳在水中的加氢反应生产甲酸，但反应速率和收率（储存的氢气量）并不令人满意（图1）。在新设计和合成的催化剂中，质子响应性羟基（-OH）位于铱（Ir）附近，利用铱与羟基氧原子之间的相互作用来活化氢分子。当使用该催化剂在常温常压下在水中加氢二氧化碳时，反应速率比传统催化剂提高10倍以上，甲酸收率（储氢）提高100倍以上。也就是说，通过使用这种催化剂，氢气可以在常温常压下转化为甲酸，而不是在消耗能量的高温高压条件下。
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| 图1 室温常压下二氧化碳在水中加氢反应生产甲酸的时间过程 |
另一方面，关于通过甲酸分解释放氢气，使用传统的质子响应催化剂，可以在相对温和的条件下产生不含任何一氧化碳的氢气，而不使用任何有机添加剂，但是为了将氢气供应和用于实际目的，除了提高反应速率之外，还需要对释放的氢气进行压缩（高压）。新开发的催化剂使反应速率提高了10倍以上（图2）。另外，即使在密闭容器中进行反应，反应速度也不会降低，甲酸几乎完全分解，不产生副产物一氧化碳。在密闭容器中，内部压力随着氢气的产生而增加，从而可以在不使用外部泵的情况下供应高压氢气。
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图2(a)使用新型催化剂和传统催化剂的甲酸分解反应的气体产生量的时间过程（反应温度90℃）
(b)甲酸分解产生的气体的分析结果 |
图3显示了使用新开发的催化剂的简单储氢系统的流程图。首先，在室温常压条件下，将二氧化碳和氢气（1:1）的混合气体吹入含有催化剂的碱性水溶液中，可以将氢气以048M甲酸盐的形式储存（步骤1）。接下来，通过向反应溶液中添加酸并将溶液的pH调节至17（步骤2），质子响应性催化剂的性能随着pH的变化而变化。当容器密封并加热至50℃时，甲酸分解并产生压缩氢气（步骤3），反应完成后96%以上的甲酸被分解。再次向该溶液中添加碱（步骤 4），使其恢复到可以储存氢气的状态。这样就可以在常温常压下储存氢气并反复释放高压氢气。请注意，无需添加新的催化剂。
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| 图3二氧化碳加氢与甲酸分解相结合的储氢工艺流程图 |
该催化剂技术使二氧化碳加氢生成甲酸（储氢），并在温和条件下分解甲酸提供高压氢气。与甲醇等在转化反应过程中能量变化较大的其他烃基储氢材料相比，催化剂有可能显着提高二氧化碳与甲酸之间能量变化较小的相互转化反应的能量效率。高性能催化剂的进一步开发有望实现使用二氧化碳的大规模、廉价的储氢系统。
目前，我们正致力于开发利用甲酸连续分解与二氧化碳分离装置相结合的高纯度氢气生产装置，利用高压气体的供应能力。未来，我们的目标是根据新的催化剂设计指南进一步提高催化剂效率并降低成本。此外，通过结合太阳能制氢（例如可见光响应半导体催化剂），我们的目标是构建并提高“完整”人工光合作用系统的效率，该系统可以从水和二氧化碳中产生能量储存材料。