SPring-8光源大改修の設計指針を公表
－グリーン加速器へ大変身－

2024年10月24日
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

理化学研究所（理研）放射光科学研究センターの田中均副センター長、先端放射光施設開発研究部門の後藤俊治部門長、高輝度光科学研究センター（JASRI）加速器部門の渡部貴宏部門長らの共同研究チームは、ユーザー運転開始から約30年が経過した大型放射光施設「SPring-8」[1]の老朽化対策、性能の大幅な向上と電力削減を同時に満たすグリーン[2]大改修（SPring-8-Ⅱ[3]）の設計指針を公表しました。 今回の大改修では、挿入光源[4]技術の進歩を取り入れた蓄積電子エネルギーの低減、偏向電磁石から永久磁石への置き換え、併設するX線自由電子レーザー（XFEL）[5]施設「SACLA[6]」の線型加速器の入射器としての時間分割利用[7]、マルチベンドアクロマット（MBA）ラティス[8]の採用による最小到達エミッタンス[9]を組み合わせ、消費電力を半減させつつ、光源輝度[10]を約100倍向上させます。 本成果は、放射光科学分野で国際的に最も権威のある科学雑誌『Journal of Synchrotron Radiation』オンライン版（10月24日付：日本時間10月24日）に掲載されました。 アンジュレータ放射の輝度がSPring-8-ⅡではSPring-8と比べ大幅向上 論文情報 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 題名 :Green Upgrading of SPring-8 to Produce Stable, Ultrabrilliant Hard X-ray Beams 著者：Hitoshi Tanaka, Takahiro Watanabe, Toshinori Abe, Noriyoshi Azumi, Tsuyoshi Aoki, Hideki Dewa, Takahiro Fujita, Kenji Fukami, Toru Fukui, Toru Hara, Toshihiko Hiraiwa, Kei Imamura, Takahiro Inagaki, Eito Iwai, Akihiro Kagamihata, Morihiro Kawase, Yuichiro Kida, Chikara Kondo, Hirokazu Maesaka, Tamotsu Magome, Mitsuhiro Masaki, Takemasa Masuda, Shinichi Matsubara, Sakuo Matsui, Takashi Ohshima, Masaya Oishi, Takamitsu Seike, Masazumi Shoji, Kouichi Soutome, Takashi Sugimoto, Shinji Suzuki, Minori Tajima, Shiro Takano, Kazuhiro Tamura, Takashi Tanaka, Tsutomu Taniuchi, Yukiko Taniuchi, Kazuaki Togawa, Takato Tomai, Yosuke Ueda, Hiroshi Yamaguchi, Makina Yabashi, and Tetsuya Ishikawa DOI：10.1107/S1600577524008348

【背景】

大型放射光施設「SPring-8」は1991年から建設が始まり、光源の心臓部を担う加速器システムは運転開始から30年近くが経過しています。そのため、老朽化が甚だしく、安定した信頼性の高い運転の継続が難しい状況です。加えて、同様の海外放射光施設の更新が先行して進められ、SPring-8の光源としての国際競争力の維持が困難な状況にもなっています。よって、早期にSPring-8放射光施設の大規模改修に着手する必要がありました。
この大規模改修では、2050年までのカーボンニュートラルの達成に向け、社会・生産基盤のグリーン化^[2]の加速が求められる中、光源性能の飛躍的な向上と同時に、どのように要素機器の小型化（省資源化・カーボンフットプリント（CFP）^[11]の削減）と使用電力の削減（省エネルギー化・高効率化）を達成していくかが課題とされていました。

【研究手法と成果】

SPring-8-Ⅱの大規模改修は、既に稼働している放射光源の大改修であることから、（i）既存のリングトンネルの再利用、（ii）全ての挿入光源ビームラインの光軸の維持、（iii）現在の利用可能なスペクトル領域の維持、（iv）運転停止期間の最小化（1年程度）という制約が課せられます。これらの制約の中で、性能の大幅な向上、老朽化対策と電力削減を実現するため、SPring-8とSACLAの高度化とユーザー運転の経験で得た知識を基に、以下のようなシステム構成を立案しました。
性能の大幅な向上は、SPring-8の主要ターゲットが硬X線領域であることを考慮し、電子ビームエミッタンスが50～110pm.rad（pm：ピコ（1兆分の1）メートル、rad：ラジアンは角度の単位）の範囲で調整可能な設計としました。エミッタンスの調整は、長直線部に設置するダンピングウィグラー（DW）^[12]により行います。この設計コンセプトにより、SACLAからの高品質入射ビームを利用したオフアクシスビーム入射^[13]が可能なリングの安定領域が確保でき、標準アンジュレータ^[14]において約2桁の輝度増大（図1）を達成できます。

図1 SPring-8とSPring-8-Ⅱのアンジュレータ放射の輝度の比較
SPring-8-Ⅱの標準アンジュレータの輝度は、SPring-8よりも2桁ほど高くなると見込まれる。
pm：ピコ（1兆分の1）メートル、nm：ナノ（10億分の1）メートル。rad：角度の単位。

蓄積リングは一新されますが、リング専用の入射器とその特高変電所（大電力を効率よく送電するための高電圧を、通常の機器が使用可能な低電圧レベルに変換する設備）の老朽化対策が課題として残ります。この更新には、巨額の費用がかかり、簡単に性能向上が見込めないため、それらを更新するのではなく、全てをシャットダウンし、ビーム入射器の役割を、併設する新しいSACLAの線型加速器に担わせるスキーム（図2）を考えました。これは老朽化対策のコストを削減するだけでなく、施設の電力消費削減にもつながります。SACLAの運転電力を増やさずに、リングへビームを入射させるスキームを実現するため、線型加速器を時間分割で利用できるように2016年から必要な開発と整備を進めました。この結果、2021年4月から、SPring-8-Ⅱに先行する形でSACLA線型加速器からの現SPring-8へのビーム入射をユーザー運転に導入し、同年8月にリング専用の入射器とその特高変電所をシャットダウンすることができました^注1）。完成したシステムは、SPring-8-Ⅱのビーム入射を担います。

注1）2021年11月23日プレスリリース「SPring-8-IIに向けSACLAを高性能入射器として利用」
https://www.riken.jp/press/2021/20211123_1/

図2 SACLAの線型加速器のリングビーム入射器としての時間分割利用
リング専用の入射器などを運用停止し、ビーム入射器の役割を新しいSACLAの線型加速器に担わせる。
線型加速器の時間分割利用により、SACLAの運転電力を増やことなくリングへビームを入射できる。

電力削減、省資源化に関しては、下記三つの省電力化を組み合わせることで、SPring-8-Ⅱ以降の消費電力量を2021年3月までと比べて半減できる見込みです（図3）。
（i）蓄積ビームエネルギーを8から6ギガ電子ボルト（GeV、1GeVは10億電子ボルト）に下げる一方、アンジュレータの周期長を短く（例えば標準型で32mmを22mm）して短波長のスペクトル領域を維持する。
（ii）全ての偏向電磁石を永久磁石に置き換える。
（iii）リングの専用入射器をシャットダウンして、SACLAの線型加速器をリングの入射器として時間分割使用する。

図3 SPring-8のグリーン大改修による電力削減効果
蓄積ビームエネルギーを下げたり、偏向磁石を電磁石型から永久磁石型に変換したりするなどして、
大改修したSPring-8-Ⅱは、性能が飛躍的に向上する一方で、消費電力量が半減する見込み。

【今後の期待】

2027年度から現SPring-8を停止し、加速器の大改修を行うことを目指し、2025年度からその計画（SPring-8-Ⅱ）をスタートさせるためのさまざまな協議・準備が行われています。SPring-8には、光源高度化の長年の積み上げとSACLAの高度化、ならびに運転の経験が施設に蓄積されています。リング光源の性能が上がるにつれて、その運転は難度の高いものになりますが、XFELで培った経験と知識を十二分に活用しながら、高性能のSPring-8-Ⅱのフル活用を早期に実現し、他施設に先んじて、未踏のサイエンスを切り開くことが期待されます。

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【補足説明】

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熱電変換材料を高性能化させる新たなメカニズムを発見
～元素添加で材料内の原子をつなぐバネが軟らかに～

2024年10月11日
名古屋工業大学
高輝度光科学研究センター

【発表のポイント】

・元素添加で熱電変換材料内の原子をつなぐバネが軟らかくなることを発見
・発見した新しいメカニズムは熱電変換材料に求められる低熱伝導率の実現に活用可能
・エネルギー問題解決に向けた高性能な熱電変換材料開発への展開に期待

名古屋工業大学 物理工学類の木村耕治助教、宮崎秀俊准教授、西野洋一名誉教授、林好一教授、高輝度光科学研究センター（JASRI）の筒井智嗣主幹研究員らの研究グループは、最先端の計測技術であるX線非弾性散乱※1を用いて、Fe2VAl熱電変換材料※2にTiを添加することによって、材料内の原子をつなぐバネが軟化することを見出しました。これは、元素添加による熱伝導※3率低減を説明する新たなメカニズムです。熱電変換材料には低い熱伝導率が求められ、本研究で見出したメカニズムは大いに活用することができます。将来、本研究に基づいた、持続可能で安全性が高く高効率な熱電発電はもちろん、原子をつなぐバネが重要な役割を果たす圧電材料や誘電体材料などの新規創成、高性能デバイスの開発につながると期待されます。 本研究成果は、2024年9月28日にActa Materialia誌に掲載されました。 論文情報 雑誌名: Acta Materialia 題名 :Thermal insulation enhanced by the dopant-induced phonon softening discovered in thermoelectric Heusler compounds 著者：Koji Kimura, Satoshi Tsutsui, Hidetoshi Miyazaki, Shuma Nakagami, Yoichi Nishino, Koichi Hayashi DOI：10.1016/j.actamat.2024.120439

【研究の背景】

世界で生産されるエネルギーの約６割は利用されずに熱として廃棄されていると言われています。熱電変換は、このような廃熱を電気エネルギーに直接変換できる技術であり、エネルギー問題解決に向けたキーテクノロジーの一つとして注目されています。そのため、性能の高い熱電変換材料の開発が世界中で精力的に進められています。
熱電変換材料には、電気を良く通し、熱を通しにくいという両立するのが難しい性質が求められます。これらの性質を実現するため、材料に異種元素を添加するという手法がよく用いられます。元素添加により、電気特性を制御できるとともに、図1に示すように熱伝導を抑制し温度差を効果的に保持することができるためです。
材料をミクロに見ると、原子が互いにバネでつながれて配列していると考えることができます。ある原子が振動するとバネを通じてその振動が伝搬していく様子が想像できますが、これが熱伝導に相当します。ここへ周囲よりも重い元素が添加されると振動が伝わりにくくなり、熱伝導が抑制されます。そのため、重元素添加が、性能の高い熱電変換材料を開発する一つの指針として提唱されています。しかし、周囲とそれほど重さの変わらない元素を添加した場合にも熱伝導が低減する材料も多数報告されており、背後にあるメカニズムに関して多くの謎が残されているのが現状です。

【研究の内容・成果】

本研究グループは、Fe₂VAlという熱電変換材料に注目しました。この材料は、様々な元素の添加により熱伝導が低減することが報告されています。図2(a)にTa（タンタル）およびTi（チタン）をFe₂VAlのV（バナジウム）の位置に添加したときの熱伝導率の変化を示します。同図に周期表の一部を切り出して示していますが、母元素のVから見てTaは二周期下の重い元素、Tiは隣に位置するほぼ同じ重さの元素になります。重い元素であるTaを添加した方が大幅な減少が見られますが、Ti添加でも熱伝導の低減が顕著です。しかし、母元素とTiの質量差がわずかであることを考慮すると、図2に点線で示すようにTi添加ではほとんど熱伝導率は低下しないと見積もられ、実験結果を説明できません。ここには従来の理解では捉えきれない、未知のメカニズムが潜んでいると期待できます。

そこで本研究ではX線非弾性散乱という手法を使って、TaおよびTiを添加したFe₂VAl中の原子の振動状態を調べました。この手法を利用すると、フォノンの分散関係^※4と呼ばれる原子の振動状態を表す相関関係が分かります。国内では、大型放射光施設SPring-8^※5でのみ、海外を含めても数か所でしか実施できない非常に高度な計測技術です。実験はビームラインBL35XUにおいて実施しました。なお、同じ試料に対しBL02B2で原子の並び方を調べ、TaとTiがFe₂VAlのVの位置に入っていることは確認できています。
図3(a)(b)にX線非弾性散乱で得られたTaおよびTiを添加したFe₂VAlのフォノンの分散関係を示しますが、両者に違いがあることが分かります。Ta添加Fe₂VAlでは、図3(a)下部にオレンジ色でハイライトしたように重い添加元素特有の振動モードが現れ、これが熱の伝搬を阻害していることが示唆されました。一方で、Ti添加試料では、このような振動モードは現れず、図3(b)の上部に示すように添加量の増加に伴い格子振動エネルギーが低下する様子が観測されました。このことは、Ti添加により原子同士を結ぶバネがソフト化したことを示しています。Ti添加の場合は、このソフト化により熱伝導が低減したと考えられます。一番固い物質であるダイヤモンドが世界最高の熱伝導率を示すことからも、逆に軟らかくなれば熱伝導率が下がることが予測されます。このように、同じ熱伝導率低減でも添加元素の種類によって、全く異なるメカニズムが働いていることが分かります。特に、Ti添加によるバネのソフト化は、新たに見出された熱伝導低減メカニズムです。
次に、ソフト化の原因についてですが、図2の周期表でTiがVとは異なる族に属していることがポイントとなります。これは、図4(a)に示すように価電子の数が異なることを意味します。原子は原子核と電子から構成されますが、原子核から離れた外側の電子が価電子です。原子が集まってできる物質中では、価電子は原子と原子を仲介し結合を作ります。実はこれが原子をつなぐばねの正体で、ちょうど図4(b)のようなイメージになります。ここへ族の異なるTiを添加すると、もともと過不足の無かった価電子の数が変化し、図4(c)のように結合が弱まりソフト化につながったと理解できます。これに対し、Vと同じ族のTaではこのような効果は生じなかったと考えられます。すなわち、TiとTaでは近隣の原子との結合に関わる価電子の数が異なることが図3の(a)と(b)の違いを生んでいると考えられます。SPring-8では物質中の電子の性質を調べることも可能で、本研究では実際にBL27SUにおいてTaとTiを添加した試料で結合に関わる価電子の状態が異なることも実測しています。

【社会的な意義】

本成果は、熱電変換材料を設計・探索する上で、新たな機軸を提供します。特に、熱伝導率低減のために用いられてきた重元素には希少なものや毒性のあるものが多いため、必ずしも添加元素を自由に選べるわけではありませんでした。この研究により、軽元素も含めた周期表の広い範囲を使って、熱伝導率の低い高性能材料を開発する筋道ができたと言えます。また、価電子数の異なる添加元素はもともと電気特性の制御を意図して使われていましたが、今回、同時に熱伝導率低減も引き起こすことが分かったことで、一つの元素に複数の役割を持たせた、省資源で環境にやさしい材料設計も可能となります。今後、本研究で見つかったメカニズムに立脚した材料探索が新たな潮流となり、優れた熱電変換材料の開発、さらには圧電材料や誘電体材料など格子振動が重要な役割を果たす材料の創成がより一層加速すると見込まれます。将来的には、熱電発電が盛んに使われている宇宙航空分野、本格導入に向けて精力的に研究されている自動車分野などを中心とした産業分野への波及効果も期待されます。

【今後の展望】

今回見つかったメカニズムを利用すれば、熱伝導を低減させるだけでなく逆に増大させる材料設計も可能です。従って、集積回路、自動車のエンジンやバッテリーなど熱を逃がす必要のあるシステムの設計においても、本研究の知見を活かすことができます。今後、他の元素を添加したFe₂VAlや、別の材料系の元素添加効果を、最先端放射光技術を用いて解析し、熱電変換の分野にとどまらず、広くサーマルマネジメント^※6の分野へ波及する成果の創出が期待されます。

本研究は、日本学術振興会　科学研究費　学術変革領域研究(A)「超秩序構造が創造する物性科学」（代表者：林好一）(20H05878, 20H05881)等の支援を受けて実施しました。

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【用語解説】

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血管収縮因子エンドセリンと受容体タンパク質が形成する複合体構造を解明

2024年10月16日
国立大学法人筑波大学
学校法人沖縄科学技術大学院大学学園
国立大学法人東京大学
国立研究開発法人理化学研究所
国立大学法人東北大学
国立大学法人京都大学

　クライオ電子顕微鏡を用いて、血管収縮作用を持つペプチドホルモンであるエンドセリンについて、その受容体およびGタンパク質（細胞膜上で情報伝達を担うタンパク質）との複合体構造を調べ、細胞間での情報伝達メカニズムを明らかにしました。

ヒトは約60兆個の細胞で構成されており、細胞間での情報交換が協調的に行われることで、正常な生命活動を維持しています。各細胞は細胞膜に包まれ、細胞外からのさまざまなシグナルは、細胞膜の受容体タンパク質によって細胞内に伝えられます。血管収縮作用を持つペプチドホルモンであるエンドセリン（ET）については、細胞膜に存在するエンドセリンB型受容体（ETBR）との結合構造が解明されていますが、ETBRとGタンパク質（細胞膜上で情報伝達を担うタンパク質）の天然結合状態の複合体構造は未解明であり、情報伝達メカニズムも十分に理解されていません。 　本研究では、クライオ電子顕微鏡を用いて、ET、ETBR、Gタンパク質の複合体構造を観察しました。その結果、Gタンパク質とETBRが強く結合する構造が明らかになりました。また、Gタンパク質の種類を識別するメカニズムや、受容体の活性化に関わる要因を解明しました。 　本研究成果は、ETによる細胞情報伝達メカニズムの理解を深めるだけでなく、立体構造に基づいた新しい薬剤設計に役立つと期待されます。 論文情報 【題　名】 Structure of endothelin ETB receptor-Gi complex in a conformation stabilized by unique NPxxL motif. （エンドセリンB型受容体とヘテロ三量体Gタンパク質の複合体構造と生化学的特性） 【著者名】 Kazutoshi Tani, Saori Maki-Yonekura, Ryo Kanno, Tatsuki Negami, Tasuku Hamaguchi, Malgorzata Hall, Akira Mizoguchi, Bruno M. Humbel, Tohru Terada, Koji Yonekura & Tomoko Doi 【掲載誌】 Communications Biology 【掲載日】 2024年10月16日 【DOI】 10.1038/s42003-024-06905-z

研究代表者
筑波大学 計算科学研究センター
　谷 一寿　教授
沖縄科学技術大学院大学 イメージングセクション (当時)
　ブルーノ・ホンベル 博士
東京大学 大学院農学生命科学研究科
　寺田 透　教授
理化学研究所 放射光科学研究センター／東北大学 多元物質科学研究所
　米倉 功治　グループディレクター／教授
京都大学 大学院理学研究科
　土井 知子　博士

研究の背景
　エンドセリン（ET）は21のアミノ酸残基から成るペプチドホルモンで、血管収縮作用があります。エンドセリン受容体^注1）は、細胞膜に存在するタンパク質で、細胞内外の分子と相互作用して、細胞間の情報伝達に関与します。細胞外からエンドセリンが受容体に結合すると、受容体の構造はGタンパク質（細胞膜上で情報伝達を担うタンパク質）と相互作用しない不活性型から、Gタンパク質と相互作用できる柔軟な初期活性型に変化します。その後、受容体構造はGタンパク質と複合体を形成して完全活性化型に移行します。この複合体形成を通してGタンパク質の構造にも変化が起こり、Ｇタンパク質のαサブニットに結合していたGDPはGTPに交換され、Ｇタンパク質が活性化されることで、細胞内の応答（情報伝達）が引き起こされます（図１）。エンドセリンにはET-1、ET-2、ET-3の3種類があり、このうちET-1は主に血管内皮細胞で産生され、周囲の細胞や自己の細胞に取り込まれ、血圧を調節し血流を一定に保つ局所的な血流調節に寄与します。さらに、体液の恒常性維持や神経発生、細胞増殖などにも重要な役割を果たします。エンドセリンは、高血圧症、動脈硬化症、心不全、腎不全、がんなど多様な病態に関与しており、その作用機構を正しく理解し適切に調節することで、病態の軽減が期待されます。
　2016年にX線構造解析を用いて決定されたエンドセリンとその受容体の結合構造が解明されて以来、さまざまな状態の受容体の立体構造が明らかになっています。一方、エンドセリンに関する情報伝達機構については、昨年２つの研究グループにより、NanoBiTシステム^注２）を用いて複合体構造が明らかにされましたが、天然結合状態の様式は依然として明らかになっておらず、薬剤開発につなげるための知見が不足しています。

研究内容と成果
　エンドセリン受容体は、細胞膜に埋め込まれているGタンパク質共役型受容体（GPCR）^注３）の一種で、細胞膜から取り出すと変性しやすい特性があります。そこで、ヒトのエンドセリン受容体の安定性や剛直性を高めるために、5つの点変異（一塩基の変異）を導入した変異体（Y5-ETB）を開発し、これを用いて、X線結晶解析により受容体とエンドセリンの複合体構造を決定することに成功しました。しかし、5つのうち4つの点変異を元の野生型に戻すと、複合体の分解能は低下し、アミノ酸残基の位置を特定することはできませんでした。最終的に、ドミナントネガティブ^注４）と呼ばれる変異を導入して安定化したGタンパク質ファミリーの一つであるGi^注５）（DNGi）を用いたところ、受容体とGiの間にNanoBiTシステムによる Giの安定化がなくても安定な複合体を形成させることに成功しました。さらに、クライオ電子顕微鏡^注６）でこの複合体を分析し、アミノ酸残基が可視化できる分解能で、立体構造を決定することができました（図２）。
　この構造解析により、三量体Gタンパク質のαサブニット（Gα_i）(図３a：マゼンタ色リボン)のC末端側の特徴的なフック構造（C351-F354）、それに続く10残基（D341-D350）がET-1結合受容体タンパク質（ETBR）の細胞質側結合ポケットにぴったりと収まり、結合している様式が明らかになりました（図３a）。また、ETBRとGα_iの相互作用領域は、既知のG-GPCR複合体構造と比較して少なく、主にGαのC末端側のみが関与していることが分かりました（図３b）。この相互作用の多くは、どのGαでも保存されているアミノ酸配列によって行われるため、選択性が比較的低く、様々なGαと反応できることを説明できます。一方で、Gαの種類によって異なる相互作用領域もわずかながら存在し、特に受容体のICL2領域がGタンパク質の種類を見分ける可能性が示唆されました。
　また、GPCRにおいて、7番目の膜貫通領域で保存されているアミノ酸配列（NPxxY）が、ETBRではユニークな配列NPxxLとなっています。本解析で得られた完全活性型ET-1結合ETBRを不活性型ETBR 構造と比較すると、NPxxL領域が活性化に伴って細胞質側に動くというユニークな構造変化を起こしていることが分かり（図４a, b）、このロイシン（L）部分は受容体の完全活性化やGα結合ポケットの形成に重要であることが、生化学実験や分子動力学シミュレーションによって実証されました（図４c）。

今後の展開
　本研究により解明された完全な活性化型構造情報は、受容体を活性化する小分子リガンド^注７）化合物や抗体医薬など、副作用の少ない中分子薬の設計につながると期待されます。また、別の型のエンドセリン受容体であるET_Aに関しても、NanoBiTシステムを用いない天然の分子機構を解明できれば、ET_A型とET_B型それぞれのサブタイプに対して選択性の高い作動薬開発が可能になると考えられます。

参考図

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用語解説

研究資金
　本研究は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業（BINDS：JP21am0101118, JP21am0101116, JP22ama121006, JP23ama121004, JP23ama121027）、JST未来社会創造事業（JPMJMI23G2）、科研費（JP20H03210）、京都大学リサーチ・デベロップメントプログラム いしずえ2019、量子情報生命科学研究センター等の支援を受けて実施されました。

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大型放射光施設SPring-8を用いて、電気化学反応中の触媒状態を可視化する技術を開発　
高効率な触媒設計でCO2資源化を推進し、カーボンニュートラル社会の実現をめざす

元記事は、2024年10月4日日立製作所様　研究トピックスをご覧ください
株式会社日立製作所

日立は、電気化学反応によるCO₂資源化技術において、大型放射光施設SPring-8^*1（BL16XU）の高輝度X線を用いて、反応中の触媒^*2の状態をリアルタイムで可視化する技術を開発しました。本技術により、触媒の反応性や耐久性の向上などに関する具体的な指針が得られ、高効率な触媒設計が可能となることが期待されます。日立は、大学や研究機関、企業との共同研究を通じて、電気化学反応によるCO₂資源化技術の開発を推進し、持続可能なカーボンニュートラル社会の実現に貢献します。

近年、地球温暖化ガスである大気中のCO₂を回収して資源化する技術がカーボンニュートラル社会の実現に向けて期待されています。その中で、電気化学反応によりCO₂を還元してエチレン(C₂H₄)などの有用な化成品原料に変換する技術においては、反応を効率よく進めるための触媒が特に重要な役割を果たします。しかしながら、従来の方法では、反応前後の状態しか分析できないため、反応中に触媒の状態がどのようになっているのかがわかりませんでした。

今回、電気化学反応とX線計測を同時に行える電気化学セルを新たに開発し、日立が長年にわたり研究開発してきた放射光計測技術の一手法であるX線マイクロビームによる走査型蛍光X線顕微鏡^*3と融合させることで、多孔質電極上部の触媒（今回は銅）が、反応中に電極内部に分散していく様子をリアルタイムで捉えることに成功しました（図1）。本技術により可視化した反応中の触媒の状態変化は、これまでに想定されていない新しい知見であり、触媒の反応性や耐久性向上に関する具体的な指針につながります。

本技術はCO₂資源化にとどまらず、水電解や蓄電池などの他の電気化学反応にも適用可能です。今後、日立は、大学や研究機関、企業との共同研究を通じて、電気化学反応によるCO₂資源化技術の開発を推進し、持続可能なカーボンニュートラル社会の実現に貢献します。なお、本技術は、2024年10月6日～11日にホノルルで開催されるPRiME 2024^*4で発表されます。

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【用語解説】

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