環境問題解決へ！ 温室効果ガスを産業用燃料に変換する新しい方法の開発

・再生可能な電力を用いて、二酸化炭素を一酸化炭素に還元する新しい方法が開発された。
・毎年、大気中に放出される二酸化炭素の量を減らすことができる。
・実際、産業界はこれらのガスを回収し、有用な製品に変換することができる。

化石燃料の大量消費と二酸化炭素などの温室効果ガスの過剰排出は、環境問題を年々深刻化させています。このような問題を解決するために、環境負荷の低減を図ることが求められています。

最近、ハーバード大学の研究者たちが、再生可能な電力を使って二酸化炭素を一酸化炭素に還元する技術を開発しました。二酸化炭素の排出を抑制すると同時に、付加価値の高い化学物質や燃料を生産する方法として期待できそうです。

一酸化炭素は市場適合性が高く、医療や化学品製造など様々な用途があります。二酸化炭素の一酸化炭素への還元は、電流密度が大きく、比較的選択性が高く、ガス生成物と液体の水を分離できる可能性があることから、（様々な二酸化炭素の還元反応と比較して）最も有望な方法であると言えるでしょう。

昨年までの技術から飛躍的な進化を遂げる

この技術は、電解液を満たした2つの槽に、それぞれ1つの電極（陽極と陰極）を設置する従来の方式をベースにしたものです。これは、より安価であり、高濃度の水蒸気と炭酸ガスに依存することで、より効率的に動作させるものです。

新しいシステムは、従来のものに比べて比較的小さく（10*10cm）、毎時最大4リットルの一酸化炭素を生成することができます。基本的には、最初の方法論の制限となっていた2つの主要な問題、（1）コスト、および（2）スケーラビリティを解決するためのものです。

従来のシステムでは、ニッケル原子1個からなる触媒を使って二酸化炭素を一酸化炭素に還元していたのですが、この触媒は合成コストが非常に高いという問題がありました。

このニッケル単原子はグラフェン【炭素原子層】と結びついており、将来的に実用化するためのスケールアップが非常に困難でした。そこで、グラフェンの数千倍も経済的な製品（カーボンブラック）に切り替えたのです。

そして、正電荷を帯びたニッケル単原子を、静電引力的なプロセスを用いて、カーボンブラック粒子内の負電荷を帯びた欠陥に効率よく捕捉することに成功しました。これにより、二酸化炭素の還元に適した高選択的で安価な物質を得ることができました。

従来のシステムでは、研究者は1バッチあたりミリグラム単位でしか作れませんでしたが、現在では最大でグラム単位で生成できるようになりました。この最終生成物は、機器によってのみ制限されます。もし、より大きなタンクを利用することができれば、この触媒をキログラム生産することができます。

このシステムのもう一つの大きな利点は、従来のシステムで使われていた液体の水の代わりに、水蒸気を使うことができ、高濃度の二酸化炭素を送り込むことができる、ということです。

市販のカーボンブラックにニッケル単原子を大量合成
研究者 提供

旧システムの水99%、一酸化炭素21%の割合に対し、現在、研究者は二酸化炭素97%、水蒸気3%の割合でシステムに送り込むことができます。さらに、水蒸気はイオン交換膜として機能し、イオンの移動を助けるため、システム内のイオン導電体の代わりとしてより優れた効果を発揮します。

その結果、研究者はより高い電流密度を提供できるようになりました。1年前は10ミリアンペア/cm2で運転していましたが、今では100ミリアンペアまで上げることができ、二酸化炭素から一酸化炭素への変換の選択性もほぼ100％です。

次の課題は？

実環境で動作させるためには、数千時間の連続動作が必要だそうです。今のところ、数十時間しか動作していません。ですから、まだやるべきことはたくさんあります。

水の酸化触媒と二酸化炭素の還元触媒の両方を分析することで、この技術を実現できると考えられています。二酸化炭素を大気中に放出せずに回収し、有用な最終製品に変換して産業界に還元する日が来るのは間違いないでしょう。

また、二酸化炭素をより価値のあるもの（一酸化炭素以外）に効率よく還元できる銅ベースの触媒をいろいろと試してみる予定だそうです。