二酸化炭素を捕捉し、効率的にエネルギーに変換する

単一の電気化学プロセスに依存するこれらの結果は、鉄鋼やセメントなどの脱炭素化が難しい産業からの排出削減に役立つ可能性がある。

世界中の温室効果ガス排出量を削減する取り組みの中で、世界の科学者たちは マサチューセッツ工科大学 彼らは、最も困難な産業排出を脱炭素化するための炭素回収技術に焦点を当てています。

鉄鋼、セメント、化学製造などの産業は、そのプロセスで炭素と化石燃料が本質的に使用されるため、脱炭素化することが特に困難です。 二酸化炭素排出量を捕捉し、生産プロセスで再利用する技術が開発できれば、これらの「削減が難しい」部門からの排出量の大幅な削減につながる可能性があります。

しかし、二酸化炭素を捕捉して変換する現在の実験技術は、それを 2 つの別個のプロセスとして実行しており、それ自体が動作するために膨大な量のエネルギーを必要とします。 MIT チームは、2 つのプロセスを 1 つの統合された、よりエネルギー効率の高いシステムに統合し、再生可能エネルギーで実行して、濃縮された産業源から二酸化炭素を回収して変換できるようにすることを検討しています。

二酸化炭素の回収と変換に関する最近の調査結果

9月5日に雑誌に掲載された研究では ACS触媒作用研究者らは、単一の電気化学プロセスを通じて二酸化炭素がどのように捕捉され、変換されるかという隠された機能を明らかにしました。 このプロセスには、吸収材から放出された二酸化炭素を電極を使用して捕捉し、再利用可能な希釈形態に変換することが含まれます。

他にも同様の実証が報告されていますが、電気化学反応を引き起こすメカニズムは不明のままです。 MIT チームはこの推進力を解明するために広範な実験を実施し、最終的には二酸化炭素の分圧によるものであることを発見しました。 言い換えれば、電極に接触する CO2 が純粋であればあるほど、電極はより効率的に分子を捕捉し、変換します。

このメイン、つまり「アクティブな」エンジンが何であるかを調べてください。 分類する」は、科学者が同様の電気化学システムを微調整および最適化し、統合プロセスで二酸化炭素を効率的に捕捉および変換するのに役立つ可能性があります。

研究結果は、これらの電気化学システムは高度に希薄な環境（たとえば、空気からの炭素排出物を直接捕捉して変換する場合）には適さないかもしれないが、工業プロセスによって生成される高濃度の排出物には適していることを示している。 特に、再生可能エネルギーに代わる明確な選択肢がないものはそうです。

マサチューセッツ工科大学（MIT）キャリア開発准教授（1922年卒業生）で研究著者のペーター・ギャラン氏は、「発電のために再生可能エネルギー源に移行することは可能であり、そうすべきだ」と語る。「セメントや鉄鋼生産などの産業を徹底的に脱炭素化することは困難であり、時間がかかるだろう。」 「たとえすべての発電所を廃止したとしても、他の産業を完全に脱炭素化する前に、短期的には他の産業からの排出に対処する何らかの解決策が必要です。 ここに、このシステムのようなものが機能する可能性があるスイートスポットが見えます。

MITの研究の共著者は、筆頭著者で博士研究員のGraham Leverrick氏と大学院生のElizabeth Bernhardt氏、そしてサンウェイ大学マレーシア校のAisha Iliani Ismail氏、Jun Hui Lo氏、Arif Arifuzzaman氏、Mohd Khairuddin Arua氏です。

二酸化炭素回収プロセスを理解する

炭素回収技術は、発電所や製造施設の煙突からの排出物、つまり「排ガス」を回収するように設計されています。 これは主に、二酸化炭素と化学的に結合し、残りの部分から分離できる安定した形態を作り出すアミンまたはアンモニアベースの化合物の混合物である「捕捉」溶液で満たされたチャンバーに排出物を導くための大規模な改修を使用して行われます。 排ガスから。

次に、通常は化石燃料蒸気の形で高温が適用され、捕捉された二酸化炭素がアミノ結合から放出されます。 純粋な形で、ガスは貯蔵タンクまたは地下にポンプで送り込まれ、鉱物化されたり、化学薬品や燃料に変換されたりすることができます。

「化学は約 100 年前から知られているので、炭素回収は成熟した技術ですが、非常に大規模な施設が必要であり、運転するには非常に高価でエネルギーを大量に消費します」とギャラント氏は指摘します。 「私たちが望んでいるのは、より柔軟で柔軟性があり、より多様な二酸化炭素源に適応できる技術です。電気化学システムは、これに対処するのに役立ちます。」

MIT の彼女のグループは、捕らえた二酸化炭素を回収し、それを還元された使用可能な製品に変える電気化学システムを開発しています。 このような個別のシステムではなく、統合されたシステムは、化石燃料由来の蒸気ではなく、再生可能電力だけで電力を供給できる可能性があると彼女は言います。

彼らのコンセプトは、炭素回収ソリューション用の既存のチャンバーに設置できる電極を中心にしています。 電極に電圧が印加されると、電子が反応性形態の二酸化炭素上に流れ、水から供給されるプロトンを使用して二酸化炭素を生成物に変換します。 これにより、同じことを行うために蒸気を使用するのではなく、吸収剤がより多くの二酸化炭素を結合できるようになります。

ギャラントは、この電気化学プロセスが二酸化炭素を捕捉してガスに変えることができることを以前に実証しました。 固体炭酸塩の形態。

「私たちは、この電気化学プロセスが非常に初期の概念で可能であることを示しました」と彼女は言います。 「それ以来、このプロセスを利用して有用な化学物質や燃料を生産しようとする研究が他にも行われてきました。しかし、内部でこれらの反応がどのように機能するかについては、一貫性のない説明がなされてきました。」

ソロ CO2 の役割

新しい研究では、MIT チームは電気化学プロセスを駆動する特定の反応を解明するために、フードの下にある虫眼鏡を使用しました。 研究室では、排ガスから二酸化炭素を抽出するために使用される工業用捕捉溶液に似たアミノ溶液を生成しました。 彼らは、pH、濃度、アミンの種類など、各溶液のさまざまな特性を体系的に変更し、各溶液を銀でできた電極に通過させました。銀は、電気分解の研究で広く使用されており、二酸化炭素を効率的に炭素に変換する能力で知られる金属です。 。 一酸化。 次に、反応終了時に変換された一酸化炭素の濃度を測定し、この数値を試験した他のすべての溶液と比較して、どのパラメータが生成される一酸化炭素の量に最も大きな影響を与えるかを確認しました。

最終的に、最も重要なのは、多くの人が予想していたように、最初に二酸化炭素を捕捉するために使用されたアミンの種類ではないことが判明しました。 代わりに、アミンへの結合を回避しながらも溶液中に存在する単一の遊離 CO2 分子の濃度が存在しました。 最終的に生成される一酸化炭素の濃度は「単一二酸化炭素」によって決まります。

「アミンによって捕捉された二酸化炭素よりも、単一の二酸化炭素と反応する方が簡単であることがわかりました」とレベリック氏は言います。 「このことは、高濃度の二酸化炭素を効率的に捕捉し、有用な化学物質や燃料に変換できるため、このプロセスが産業用途で実現可能である可能性があることを将来の研究者に伝えます。」

「これは除去技術ではありません。それを言及することが重要です」とギャラント氏は強調します。 「それがもたらす価値は、既存の工業プロセスを維持しながら CO2 を複数回リサイクルして、それに伴う排出量を削減できることです。最終的には、私の夢は、電気化学システムを使用して CO2 の無機化と永久貯蔵を促進できるようになることです。これは長期的なビジョンであり、私たちが理解し始めている科学の多くは、これらのプロセスを設計するための第一歩です。

参照： “アミン媒介二酸化炭素中の活性種の検出₂ 「銀における CO2 への削減」グラハム レベリック、エリザベス M. ベルンハルト、アイシャ・イリアニ・イスマイル、ジュン・ホイ・ルー、A. アリフ・アル・ザマン、ムハンマド・ハイルディン・アルワ、ペタル・M・ギャラント*、2023年9月5日、 ACS触媒作用。
土井: 10.1021/acscatal.3c02500

この研究はマレーシアのサンウェイ大学によって支援されています。