セントラルフロリダ大学の研究者たちは現在、メタンをエネルギーや有用な材料に変換しています。メタン利用技術の進歩は、ナノテクノロジストのローレン・テタード氏と触媒の専門家リチャード・ブレア氏の協力により実現しました。強力な温室効果ガスであるメタンをこの目的に使用する革新的な方法が開発されました。この技術は、可視光と特殊な触媒を使用して、炭素を放出することなくメタンから水素を生成します。この技術により、非常に小さなスケールで精密な炭素構造を作成することも可能になり、多くの貴重な用途に使用できます。
セントラルフロリダ大学（UCF）の研究者2名が、有害な温室効果ガスであるメタンからエネルギーと材料を生成する革新的な技術の開発に成功した。UCFによるこの新たな技術革新により、メタンをグリーンエネルギーの生産に利用することが可能になる。これは、バイオテクノロジー、スマートデバイス、太陽電池、その他のデバイス向けの高性能材料の開発にも役立つだろう。ナノテクノロジー研究者のローレン・テタール氏と触媒専門家のリチャード・ブレア氏は、過去10年間UCFで共同研究を行い、一連の革新的な発明を生み出してきた。
ローレン・テタールは、セントラルフロリダ大学（UCF）物理学科の准教授兼副学科長であり、ナノサイエンス技術センターの研究員も務めている。リチャード・ブレアは、 UCFフロリダ宇宙研究所の研究教授である。
米国環境保護庁によると、28 年間で見ると、メタンはもう 100 つの重要な温室効果ガスである二酸化炭素よりも XNUMX 倍も地球の大気に影響を及ぼすそうです。メタンは二酸化炭素に比べて大気中での寿命が短いにもかかわらず、より多くの放射線を閉じ込めることができます。大気中へのメタン放出の大きな要因としては、エネルギーおよび産業活動、農業活動、および埋立地の存在が挙げられます。
強力なコラボレーション
経験豊富な研究協力者であるテタールとブレアは、 「最初うまくいかなくても、何度も挑戦しなさい」という古くからの格言をよく理解している。
テタール氏は、「本当に素晴らしい結果を得るまでには時間がかかりました。当初、私たちが試みた特性分析の多くは、思い通りにはいきませんでした。不可解な観察結果について、何度も何度も話し合ったものです」と語った。
しかし、彼らは粘り強く努力を続け、その揺るぎない決意が最終的に新たなイノベーションという形で報われた。「リチャードは問題を解決する方法について、無数のアイデアを持っているんです。だから、最終的にはうまくいく方法を見つけることができたんです」とテタール氏は付け加えた。
強化された、より環境に優しい水素製造方法の導入
当初の発明は、メタンなどの炭化水素から水素を生成する革新的な手法であり、同時に二酸化炭素の排出をなくすものである。
この技術革新は、レーザー、ランプ、太陽光などの可視光と、欠陥構造を改変したホウ素を豊富に含む光触媒の利用に焦点を当てています。このアプローチは、ナノスケール材料の優れた能力を示しており、可視光を利用してメタンなどの炭化水素を捕捉・変換することを可能にします。欠陥構造の改変とは、不規則な構造を持つ材料を作り出すことです。
従来の触媒を用いて高温で反応を行うと、二酸化炭素、一酸化炭素、あるいは高分子芳香族化合物といった特定の不純物が一般的に発生する。しかし、UCFの発明によって生成される水素には、これらの不純物は含まれていない。
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このように、研究者たちはメタンを不純物のないエネルギーや有用な物質に変換する。この技術開発は、エネルギー生産に用いられる触媒のコスト削減、可視光領域における光触媒変換の促進、触媒作用における太陽エネルギー利用の最適化につながる可能性を秘めている。水素の市場における応用例としては、メタンの回収・変換における大規模利用や、太陽光発電所への応用などが挙げられる。
リチャード・ブレア氏は、「この発明は実は一石二鳥だ。グリーン水素が得られるだけでなく、メタンを除去する（厳密には隔離するのではなく）。メタンを水素と純粋な炭素に加工し、電池などに利用できるのだ」と述べた。
彼によると、従来、水素製造にはメタンと水、そして高温が用いられてきた。しかし、そのプロセスでは水素を生成すると同時に二酸化炭素も排出される。
ブレア氏はさらに、「私たちのプロセスは、温室効果ガスであるメタンを、温室効果ガスではない物質と、水素と炭素という2つの貴重な製品に変換します。そして、メタンを循環から排除することに成功しました」と述べた。
UCFのExolith Labは、堅牢な太陽光集光システムを導入することで、太陽光の力を利用してメタンガスから水素を生成することに成功したことが確認された。彼は、豊富な電力源を持たない国々は、メタンと太陽光を利用することでこの発明を活用できると示唆している。メタンは、石油・天然ガスシステムに加え、埋立地、工業地帯、農業地帯、廃水処理場などにも存在する。
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汚染のないカーボンナノまたはマイクロ構造の製造
テタールとブレアの技術は、光と欠陥制御された光触媒を用いて、ナノスケールおよびマイクロスケールで精密な炭素構造を作り出す。その例としては、一酸化炭素、エタン、メタン、プロパン、プロペンなどが挙げられる。
ローレン・テタール氏は、「これは、ポリマー3Dプリンターではなく、カーボン3Dプリンターを持っているようなものです。このようなツールがあれば、現在では不可能なカーボン製の足場設計も可能になるかもしれません。私たちの夢は、メタンから高性能なカーボン材料を製造することですが、現状ではあまりうまくいっていません」と述べた。
「つまり、この発明は、メタンからそのような材料を持続可能な方法で大規模な工業規模で製造する方法となるでしょう」とブレア氏は付け加えた。
生成された炭素構造体は小型で構造がしっかりしており、正確なサイズとパターンで精密な配置が可能である。ブレア氏は、「これは高額な用途、例えば医療機器や新しい化学センサーなどに応用できるでしょう。あらゆる製品開発のためのプラットフォームとなるのです。その用途は想像力次第です」と述べた。
研究者たちはメタンをエネルギーや有用な物質に変換する技術を開発しているが、まだいくつかの調整が必要だ。設計手法には、さまざまな波長で成長プロセスを調整できるため、レーザーや太陽光照明を組み込む可能性があり、テタール氏の研究室ではその規模を縮小しようとしている。テタール氏は、「私たちは、このプロセスから学び、より小さなスケールでも機能させる方法、つまり微小な体積内で光を制御する方法を模索している」と語った。
「現在、構造のサイズはマイクロスケールです。なぜなら、私たちが作り出す光の焦点体積がマイクロサイズだからです。」つまり、微小な体積内で光を制御できれば、パターン化されたナノ構造のためのナノサイズの物体を、1000分の1のサイズにまで小さく成長させることができるかもしれません。これは私たちが将来的に実現しようと考えていることです。そして、それが可能になれば、それを使ってできることはたくさんあります」とテタール氏は付け加えた。
