温室効果ガスの排出を抑制しようとする世界的な取り組みの中で、マサチューセッツ工科大学の科学者たちは、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。単一の電気化学プロセスに基づくこれらの発見は、鉄鋼やセメントなど、脱炭素化が最も困難な産業からの排出削減に役立つ可能性がある。
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を捕捉して変換する方法を明らかにしました。このプロセスでは、電極 (写真の泡で覆われた電極のようなもの) を使用して、吸着剤から放出された二酸化炭素を吸収し、カーボン ニュートラルな製品に変換します。写真提供者: JohnFreidah/MITMechE
鉄鋼、セメント、化学製造などの業界は、生産プロセスで炭素と化石燃料を本質的に使用するため、脱炭素化が特に困難です。二酸化炭素排出量を回収し、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」産業からの排出量を大幅に削減することが可能になるでしょう。
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、それ自体の実行に大量のエネルギーを必要とする 2 つの別個のプロセスです。 MITの研究チームは、この2つのプロセスを統合されたはるかに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を利用して、濃縮された産業資源から二酸化炭素を回収して変換できる可能性を期待している。
二酸化炭素の回収と変換に関する最新の研究結果
9 月 5 日に学術誌 ACSCataracy に掲載された研究で、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を捕捉し、変換する方法の隠された力を明らかにしました。このプロセスには、電極を使用して吸着剤から放出された二酸化炭素を吸収し、還元された再利用可能な形態に変換することが含まれます。
他の研究者も同様の実証を報告していますが、電気化学反応を引き起こすメカニズムは依然として不明です。 MIT チームは、この要因を決定するために多数の実験を実施し、最終的には二酸化炭素の分圧に依存することを発見しました。言い換えれば、電極と接触する二酸化炭素がより純粋であればあるほど、電極はより効率的に二酸化炭素分子を捕捉し、変換することができる。
この主要な推進要因、つまり「活性種」を理解することは、科学者が同様の電気化学システムを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。
この研究の結果は、これらの電気化学システムは非常に希薄な環境（例えば、空気からの炭素排出を直接捕捉して変換する）には適してい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、特に明白な再生可能な代替手段が存在しない環境にはよく適していることを示唆している。
「私たちは発電用の再生可能エネルギーに切り替えることができますし、そうすべきです」と研究著者のベタール・ギャラント氏（1922年マサチューセッツ工科大学キャリア開発准教授）は述べた。「しかし、セメントや鉄鋼生産などの産業の徹底的な脱炭素化は困難であり、さらに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、それらの産業を完全に脱炭素化する前に、短期的に他の産業の排出に対処する何らかの解決策が必要になるだろう。そこにスイートスポットが見えており、このシステムのようなものはそのスイートスポットに適合する可能性がある」スポット。」
この研究のMITの共著者には、筆頭著者のグラハム・レベリック博士研究員と大学院生のエリザベス・バーンハート氏、そしてマレーシアのサンウェイ大学のアテア・イリアニ＝エッセ氏が含まれる。アイシャ・イリヤニ・イスマイル、ジュン・ホイ・ロー、アリフ・アリフッツァマン、モハメド・ケレディン・アルア。
二酸化炭素回収プロセスについて学ぶ
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「煙道」を回収するように設計されています。排出物は、主に大規模な改修を通じて、「捕捉」溶液（二酸化炭素と化学的に結合して、燃焼排ガスの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ミノ化合物の混合物）を含むチャンバーに導かれます。
次に、捕捉された二酸化炭素は、多くの場合化石燃料から生成された蒸気を使用して高温で処理され、捕捉された二酸化炭素をアミン結合から解放します。純粋な二酸化炭素ガスは、貯蔵タンクまたは地下にポンプで送り込まれ、鉱化されたり、さらに化学薬品や燃料に変換されたりすることができます。
「炭素回収は成熟した技術であり、その化学は約 100 年前から存在しますが、非常に大規模な設備が必要であり、実行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。 「私たちが必要としているのは、より多様な二酸化炭素源に適応できる、よりモジュール化された柔軟な技術です。電気化学システムは、この問題の解決に役立ちます。」
MIT の彼女の研究グループは、回収した二酸化炭素をリサイクルし、それを削減された使用可能な製品に変換できる電気化学システムを開発しています。このような統合システムは、別個のシステムではなく、化石燃料から生成される蒸気ではなく、再生可能エネルギーのみで電力を供給できる可能性があると彼女は述べた。
彼らのコンセプトは、既存の炭素回収ソリューションのキャビティに適合できる電極を中心としています。電極に電圧を印加すると、電子が活性型二酸化炭素に向かって流れ、水から供給されるプロトンを利用して生成物に変換されます。このようにして、吸着剤は、二酸化炭素を吸収するために蒸気を使用する代わりに、より多くの二酸化炭素を吸収することができます。
ギャラント氏は、この電気化学プロセスが二酸化炭素を捕捉し、固体炭酸塩の形に変換できることを以前に示した。 「私たちは非常に初期の概念で、この電気化学プロセスが可能であることを示しました」と彼女は言いました。 「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、これらの反応がどのように機能するかについては一貫した説明がありませんでした。」
「二酸化炭素単体」の役割
新しい研究では、MITの研究チームは虫眼鏡を使用して、電気化学プロセスを引き起こす特定の反応を観察しました。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回収溶液と同様のアミン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系統的に変更し、各溶液を銀電極に通しました。銀電極は、電気分解の研究で広く使用されており、二酸化炭素を一酸化炭素に効率的に変換することが知られている金属です。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、その数値をテストした他の各溶液の数値と比較して、生成される一酸化炭素の量に最も大きな影響を与えるパラメータを決定しました。
最終的に、彼らは、多くの人が疑っていたように、最も重要なのは、そもそも二酸化炭素を捕捉するために使用されるアミンの種類ではないことを発見しました。むしろ、最も重要なのは、アミンとの結合を避ける、溶液中の浮遊二酸化炭素分子の濃度です。この「二酸化炭素のみ」が、生成される一酸化炭素の最終濃度を決定します。
「この『単独』の CO2 は、アミンによって捕捉された CO2 よりも容易に反応することがわかりました」とレベリック氏は述べています。 「これは、将来の研究者に、このプロセスが産業の流れで実現可能であり、高濃度のCO2を効率的に捕捉して有用な化学物質や燃料に変換できることを示しています。」
「これは除去技術ではありません。それが重要です」とギャラント氏は強調する。 「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を何度もリサイクルできるため、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、真の除去技術であるCO2の無機化と永久貯蔵を促進することです。これは長期的なビジョンです。そして、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最初のステップです。」