世界中の科学者や研究者は、大気中や発電所の排出物から二酸化炭素を回収し、貴重な資源へと変換する方法を精力的に研究している。こうした取り組みの中で、MITとハーバード大学のエンジニアは、二酸化炭素を様々な用途で化石燃料に代わる効率的な燃料へと変換することに成功した。従来の変換方法は、炭素効率の低さや危険な燃料の生成といった課題を抱えていた。今回の新しいプロセスは、より大規模な用途において、より高い効率性を発揮することが期待されている。
マサチューセッツ工科大学（MIT）とハーバード大学の研究者らは、二酸化炭素をギ酸に変換する効率的なプロセスを開発し、大きなブレークスルーを達成した。この画期的な成果により、ギ酸は液体または固体の多用途材料として、メタノールや水素のように燃料電池の燃料として利用され、発電に活用できる可能性が開かれた。
この新しいプロセスは、MITの博士課程学生であるAlexander H. Quinn、Zhen Zhang、Zhichu Renのチームと、ハーバード大学の学生であるDawei Xi 、そしてMITの教授であるJu LIによって開発されました。
ギ酸ナトリウム、一般にギ酸カリウムとして知られる物質は、すでに工業規模で生産されています。歩道や道路の凍結防止剤として最も一般的に使用されています。不燃性で無毒であり、保管や輸送も容易です。さらに、通常の鋼製タンク内でも安定性を保ち、数ヶ月間使用できます。場合によっては、製造後数年経ってから使用されることもあります。
プロセスについて
このプロセス全体は、ガスを捕捉し、電気化学的にギ酸塩粉末に変換することを目的としている。研究チームは、実験室規模で、この粉末を燃料電池に移して発電するプロセスを実証した。
李教授によると、二酸化炭素を燃料に変換する他のアプローチは2段階のプロセスを伴う。それらは以下のとおりである。
- ガスを捕らえて炭酸カルシウムの固体に変換します。その後、材料を加熱し、この過程で二酸化炭素を除去します。その後、一酸化炭素などの燃料原料に変換されます。
- 20 番目のステップはあまり効率的ではありません。通常、ガス状二酸化炭素の XNUMX% 未満が目的の生成物に変換されます。
二酸化炭素回収・変換（CCC）は、アルカリ溶液を用いて二酸化炭素を回収することから始まるプロセスです。この溶液は、発電所や大気中など様々な発生源から二酸化炭素を濃縮し、液体の重炭酸塩の形態にします。
陽イオン交換膜電解装置を用いることで、重炭酸塩は電気化学的にギ酸塩の固体結晶に変換される。研究チームが実施した厳密な実験室規模の実験により、96%を超える炭素効率が実証された。
李教授によれば、これらの結晶は劣化せず、長期間保存しても劣化しないという。これに対し、現在入手可能な最高性能の水素貯蔵タンクでさえ、1日あたり約1％の割合でガスが漏れる。そのため、長期保存には使用できない。
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高いコンバージョン率
それに対し、新しいプロセスは90％を超える変換率を達成し、従来の方法を凌駕する。さらに、二酸化炭素を液体金属重炭酸塩と呼ばれる高効率の中間体へと変換することで、非効率な加熱工程を不要にする。
その後、この液体は、原子力、風力、太陽光発電などの低炭素電力で稼働する電解槽内で電気化学的変換によって、ギ酸カリウムまたはギ酸ナトリウムの液体に変換される。
ギ酸のさまざまな形態
李教授によると、高濃度のギ酸カリウムまたはギ酸ナトリウム溶液を乾燥させることで、固体の粉末を得ることができる。このプロセスは、太陽光蒸発などの方法で実現できる。得られた粉末は非常に安定しており、標準的な鋼製タンクに数年から数十年といった長期間にわたって安全に保管できる。
マサチューセッツ工科大学（MIT）とハーバード大学のエンジニアは、二酸化炭素を効率的な燃料に変換することに成功し、このプロセスの成功を受けて、研究者たちはこれを大規模化することで、排出ガスゼロの熱源を生成し、個々の家庭に電力を供給できるようにすることを目指した。さらに、この技術は大規模な送電網運用や産業用途にも利用できる。
リー教授によると、チームが開発した数多くの最適化技術は、非効率的な化学変換プロセスを実行可能なソリューションに変える上で極めて重要な役割を果たしたとのことです。原子核科学工学部と材料科学工学部の両部門で役職を務めるリー教授は、これらの最適化のステップを通じて達成された大きな影響を強調しています。
その後、必要に応じて、この固体粉末を水と混合し、燃料電池に導入して電力と熱の両方を供給する。「これは地域社会や家庭での実証実験のためのものですが、将来的には工場や電力網にも役立つと考えています」と張氏は述べた。
メタノールは毒性物質であり、安全性の面で課題がある一方、ギ酸は二酸化炭素を燃料電池に適した燃料に変換するための、より安全で実行可能な代替物質として注目されています。各国の安全基準では、ギ酸は広く使用されている無害な選択肢として認められており、漏洩の可能性がある場合でも人々の健康を損なうことなく、信頼できる解決策を提供します。
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成功へのステップ
いくつかの機能強化により、このプロセスの効率が大幅に向上しました。
- まず、膜材料とその配置のよく考えられた設計により、このシステムのこれまでの試みが直面していた問題が解決されました。
- そのような場合、特定の化学副産物が蓄積すると pH が変化し、時間の経過とともに徐々に効率が低下します。
張氏は、「従来、原料の長期的かつ安定した連続的な変換を実現することは困難でした。私たちのシステムの鍵は、定常状態での変換を実現するためのpHバランスを達成することです」と述べています。
これを実現するために、研究者らは熱力学的モデリングを行い、酸性度の変動なく化学平衡と安定したpHを維持する新しいプロセスを考案した。これにより、システムは長期間にわたって最適な効率で稼働できるようになった。
このシステムは200時間以上にわたって試験されたが、出力は著しく低下しなかった。このプロセスは、常温かつ比較的低い圧力（大気圧の約5倍）で実施可能である。
さらなる問題は、望ましくない副反応により役に立たない化学副産物が生成されることでした。しかし、チームは、重炭酸塩を豊富に含むグラスファイバーウールでできた追加の層を導入し、これらの反応を防ぐことでこの問題を解決しました。
さらに、研究チームは、このギ酸燃料を効率的に発電に利用できるよう特別に設計された燃料電池を開発した。貯蔵されたギ酸粒子は水に容易に溶解し、必要に応じて燃料電池にスムーズに注入される。
Li氏によると、固体燃料は純粋な水素よりもかなり重いものの、水素を貯蔵するために必要な高圧ガスタンクの重量とサイズを考慮すると、一定の貯蔵量に対して得られる発電量はほぼ同等になるという。
ギ酸のさまざまな潜在的用途
研究者らによると、ギ酸燃料は、小規模な家庭用ユニットから大規模な産業用途、あるいはグリッド規模の貯蔵システムまで、幅広い用途に合わせてカスタマイズできる可能性を秘めている。家庭レベルでは、冷蔵庫サイズの電解装置を用いて二酸化炭素を回収し、ギ酸に変換し、地下タンクや屋上タンクに貯蔵することができる。
MITとハーバード大学のエンジニアはCO2を効率的な燃料に変換することに成功し、今回の研究には参加していないノースウェスタン大学の化学および電気・コンピュータ工学の教授であるテッド・サージェント氏は、 「金属ギ酸塩は非常に無害で安定しており、魅力的なエネルギーキャリアであるため、ギ酸塩経済は興味深い概念です。著者らは、重炭酸塩原料からギ酸塩への液液変換の効率向上を実証し、これらの燃料を後に発電に利用できることを実証しました」と述べています。
