官民地域パートナーシップにより整備・運用される放射光施設NanoTerasuには、科学技術の進展と国際競争力強化に加え、NanoTerasuを核とするリサーチコンプレックス形成の加速が期待されています。そこで東北大学では、NanoTerasuに隣接するサイエンスパーク（4万㎡）内に、放射光科学の研究開発に係る研究拠点の設置を進めているところです。
　国立大学法人東北大学と国立大学法人東京大学は、放射光科学の研究における連携協定の下、共同でNanoTerasuを利用した研究開発を進めて参りました。今回、東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターと東京大学物性研究所は共同で、東北大学材料科学高等研究所において新規に開発された材料についてその特性の起源を、2024年4月に利用が開始されたNanoTerasu BL07Uでの軟X線吸収分光を利活用することで解明しました。
　ケミカルループ法は、金属酸化物の格子酸素を用いて酸化反応を行う手法です。反応場を分離することができるため、平衡に縛られず高い反応転化率を実現することのできる手法です。ケミカルループ反応を低温化することでプロセス全体から排出されるCO₂の量を減らすことが可能であることが、これまでにシミュレーションで示されていました。しかし、ケミカルループの低温化には、低温で高い反応性を持つ金属酸化物（酸素キャリア）が必要ですが、そのような材料はこれまでにありませんでした。
　東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センターの横哲准教授と西堀麻衣子教授、東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の阿尻雅文教授、東京大学物性研究所の原田 慈久教授らの共同研究グループは、新規酸素キャリアの開発を行い、低温で高活性な酸素キャリア材料を流通式超臨界水熱合成法^(注1)により合成することを可能にしました。しかし、低温で高い活性が得られる要因については、粒径やMnの添加量だけでは説明がつかず、その起源は不明でした。本研究では、NanoTerasuを用いた軟X線吸収分光により、この材料の特性を詳細に解析しました。その結果、低温高活性材料の起源が、Mnが2価の状態でCeO₂にドープされた化学状態にあることを突き止めました。このような化学状態でドープされたCeO₂系材料はこれまでに報告例がなく、酸素キャリア材料の設計に新たな可能性をもたらす画期的な発見です。
　本成果は、低温で高い活性を示す酸素キャリアの特性の起源を解明したもので、今後の酸素キャリアの高性能化につながる成果です。低温で利用可能な酸素キャリアが得られれば、従来800 ℃以上で行われていたケミカルループ反応を大幅に低温化し、これにより、CO₂排出量の大幅削減と水素生成を実現する革新的な化学プロセスの開発が加速することが期待されます。
　本研究は2024年12 月13 日（米国時間）に米国化学会発行の学術誌Chemistry of Materialsに受理されました。