大気から二酸化炭素を捕獲する最良の方法を見つけるために、継続的な研究と実験が進行中です。米国エネルギー省のブルックヘブン国立研究所とコロンビア大学の研究者は、このための革新的な方法を開発しました。CO2触媒から固体カーボンナノファイバーを製造するプロセスは、炭素を捕獲するだけでなく、副産物として水素も生成します。
米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所とコロンビア大学の研究者らは、二酸化炭素（CO2）をカーボンナノファイバーに変換する方法を発見した。これらの材料は様々な特殊な特性を持ち、将来的に多くの用途に利用できる可能性がある。彼らが採用した手法は、低温かつ常圧下で行われる電気化学反応と熱化学反応の組み合わせである。研究者らが論文で詳述しているように、この革新的な方法は炭素を貴重な固体状態で効果的に固定化し、炭素排出量の削減、さらには逆転につながる。さらに、このプロセスでは、利用時に排出量ゼロとなる非常に有望な代替燃料である水素ガス（H2）も生成される。
研究を主導したコロンビア大学化学工学科のジングアン・チェン教授（ブルックヘブン国立研究所にも兼任）は、「カーボンナノファイバーをセメントに混ぜ込むことで、セメントの強度を高めることができます。そうすれば、炭素をコンクリートの中に少なくとも50年間、場合によってはそれ以上閉じ込めることができます。その頃には、世界は炭素を排出しない再生可能エネルギー源へと移行しているはずです」と述べた。
炭素回収と変換
二酸化炭素を回収・変換して気候変動対策に活用するという考え方は、決して新しいものではありません。しかし、二酸化炭素ガスを単に貯蔵するだけでは漏洩のリスクがあります。多くの二酸化炭素変換プロセスでは、炭素系化学物質や燃料が生成されますが、これらはすぐに消費されるため、二酸化炭素が大気中に放出されてしまいます。
陳教授は、「この研究の斬新な点は、二酸化炭素を付加価値のある、しかも固体で有用な形態に変換しようとしていることだ」と述べた。
カーボンナノファイバーとナノチューブは、2億分の1,000メートルの大きさを持つ固体炭素材料です。その特性には、強度、熱伝導性、電気伝導性などがあります。COXNUMXから炭素を抽出し、微細構造に組み立てるのは簡単ではありません。熱を利用するプロセスでは、XNUMX°Cを超える温度が必要です。
「大規模な二酸化炭素削減策としては、それは非常に非現実的です。それに対し、私たちは摂氏約400度で起こり得るプロセスを発見しました。これははるかに実用的で、産業的に実現可能な温度です」とチェン教授は付け加えた。
タンデム2ステップ
2種類の触媒を使用するため、反応は2段階に分けられます。これにより、分子が組織化され、反応しやすくなります。
論文の筆頭著者であり、ブルックヘブン国立研究所とコロンビア大学の研究科学者である謝振華氏は、「反応をいくつかのサブ反応段階に分解すれば、反応の各段階を機能させるために、異なる種類のエネルギー入力や触媒を使用することを検討できる」と述べた。
ステップ 1
科学者たちは、炭素ナノファイバー（CNF）の製造において、二酸化炭素（CO2）よりも一酸化炭素（CO）を原料として使用する方が効果的であることを発見した。その後、彼らはCO2からCOを生成する最も効率的な方法を逆算して検討した。これまでの研究から、彼らは炭素担持パラジウムからなる市販の電気触媒を使用することに至った。この電気触媒は、電流の助けを借りてCO2と水の両方をCOとH2に分解することができる。
ステップ 2
次に、CO2触媒から固体カーボンナノファイバーを製造するために、科学者たちは鉄コバルト合金製の熱活性化型熱触媒に着目した。この触媒は摂氏約400度で動作し、CO2から直接CNFに変換する場合よりもはるかに穏やかな温度である。さらに、金属コバルトを少量加えることで、カーボンナノファイバーの形成が大幅に促進されることも発見した。
陳教授は、「電気触媒と熱触媒を組み合わせることで、どちらか一方のプロセスだけでは達成できないことを実現できる」と述べた。
こちらもご覧ください：二酸化炭素をリサイクルして環境に優しいプラスチックを作る
触媒調査
科学者たちは、これらの触媒がどのように機能するかを理解するために、様々な実験を行った。モデリングに関しては、密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、様々な化学反応条件下における触媒の原子構造やその他の特性を調べた。NSLS-IIで行われたX線実験では、反応全体を通して触媒の物理的および化学的変化をモニタリングした。
本研究の共著者であり、計算を主導したブルックヘブン国立研究所化学部門のピン・リウ氏は、 「我々は、反応条件下における触媒の安定相を特定するために構造を調べています。活性部位と、これらの部位が反応中間体とどのように結合しているかを調べています。ある段階から次の段階への障壁、つまり遷移状態を特定することで、反応中に触媒がどのように機能しているかを正確に理解することができます」と述べています。
「第2段階では、反応条件下における鉄-コバルト系の構造がどのようなものか、そして鉄-コバルト触媒をどのように最適化できるかを知りたいと考えました」と謝氏は付け加えた。
X線実験により、鉄とコバルトの合金の存在が確認された。また、COをカーボンナノファイバーに変換するために必要な金属コバルトも少量存在することが示された。劉氏によると、「この2つの要素は順次作用する。我々の研究によれば、合金中のコバルト-鉄サイトが一酸化炭素のCO結合を切断するのに役立つ。これにより、炭素原子がカーボンナノファイバーの構築源として利用可能になる。そして、余分なコバルトは炭素原子を連結するCC結合の形成を促進するために存在する」とのことだ。
環境に優しく、カーボンニュートラル
CFNの科学者であり、本研究の共著者でもあるファン・スヨン氏は、「CFNで行われた透過型電子顕微鏡（TEM）分析により、触媒の有無にかかわらず、カーボンナノファイバーの形態、結晶構造、および元素分布が明らかになった」と述べた。
陳教授によると、「画像から、カーボンナノファイバーが成長するにつれて、触媒が表面から押し上げられていくことがわかります。そのため、触媒金属のリサイクルが容易になります。酸を用いてカーボンナノファイバーを破壊することなく金属を浸出させることで、金属を濃縮し、触媒として再利用することができます。」
このプロセスが費用対効果に優れている理由は以下のとおりです。
- 触媒の容易さ リサイクル
- 触媒の市販
- 2番目の反応の比較的穏やかな反応条件
「実際の応用では、CO2フットプリント分析と触媒のリサイクル可能性の両方が非常に重要です。私たちの技術的結果とこれらの他の分析は、このタンデム戦略が、再生可能なH₂を生産しながらCO2を脱炭素化して貴重な固体炭素製品にする道を開くことを示しています」とチェン教授は付け加えました。
二酸化炭素触媒を用いた固体炭素ナノファイバーの製造が再生可能エネルギーによって行われるようになれば、真の意味でのカーボンニュートラルが実現する。これは、二酸化炭素排出量削減のための新たな可能性をさらに広げることになるだろう。
