下記のフォームにご記入いただければ、「二酸化炭素を液体燃料に変換する新技術改良」のPDF版をメールでお送りいたします。
二酸化炭素（CO2）は化石燃料の燃焼によって生成される最も一般的な温室効果ガスであり、持続可能な方法で有用な燃料に変換することができます。CO2排出物を燃料原料に変換する有望な方法の1つは、電気化学還元と呼ばれるプロセスです。しかし、商業的に実現可能にするには、より望ましい炭素を豊富に含む生成物を選択または生成するように、このプロセスを改良する必要があります。今回、学術誌「Nature Energy」に掲載された報告によると、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）は、補助反応に使用される銅触媒の表面を改善し、プロセスの選択性を高める新しい方法を開発しました。
「銅がこの反応に最適な触媒であることは分かっていますが、目的生成物に対する高い選択性は得られません」と、バークレー研究所化学科学部の主任研究員であり、カリフォルニア大学バークレー校の化学工学教授でもあるアレクシス・スペル氏は述べています。「私たちのチームは、触媒の局所的な環境を利用して、このような選択性を実現するための様々な工夫を凝らすことができることを発見しました。」
これまでの研究では、研究者たちは商業的価値のある炭素を豊富に含む製品を生成するための最適な電気的・化学的環境を提供するための精密な条件を確立してきた。しかし、これらの条件は、水系導電性材料を用いた一般的な燃料電池で自然に発生する条件とは相反する。
燃料電池の水環境で使用できる設計を決定するため、エネルギー省のLiquid Sunshine Allianceのエネルギーイノベーションセンタープロジェクトの一環として、ベル氏とそのチームは、特定の荷電分子（イオン）のみを通過させ、他のイオンを排除する薄いアイオノマー層に着目した。このアイオノマー層は、その高い選択性を持つ化学的性質により、微小環境に大きな影響を与えるのに特に適している。
ベル研究室の博士研究員で、この論文の筆頭著者であるチャニョン・キム氏は、銅触媒の表面を2種類の一般的なイオン交換樹脂であるナフィオンとサステイニオンでコーティングすることを提案した。研究チームは、そうすることで触媒周辺の環境（pH、水や二酸化炭素の量など）が何らかの形で変化し、反応が炭素を豊富に含む生成物へと誘導され、それらの生成物を有用な化学物質や液体燃料に容易に変換できると仮説を立てた。
研究者らは、ポリマー材料で支持された銅膜に、各イオノマーの薄層と2種類のイオノマーの二重層を塗布して膜を形成し、それを手の形をした電気化学セルの片端付近に挿入した。電池に二酸化炭素を注入して電圧を印加すると、電池を流れる総電流を測定した。次に、反応中に隣接するリザーバーに収集された気体と液体を測定した。二重層の場合、炭素を豊富に含む生成物が反応で消費されたエネルギーの80%を占め、コーティングなしの場合の60%よりも高いことがわかった。
「このサンドイッチコーティングは、高い製品選択性と高い活性という、両方の利点を兼ね備えています」とベル氏は述べた。二重層の表面は、炭素を多く含む製品に適しているだけでなく、同時に強い電流を発生させるため、活性の向上を示している。
研究者らは、反応性の向上は銅の真上のコーティング層に蓄積された高濃度のCO2によるものだと結論付けた。さらに、2つのアイオノマー層の間に蓄積された負電荷分子は、局所的な酸性度を低下させる。この組み合わせにより、アイオノマー膜がない場合に発生しがちな濃度トレードオフが相殺される。
反応効率をさらに向上させるため、研究者らは、CO2濃度とpH値を高める別の方法として、イオン交換膜を必要としない、以前から実績のある技術であるパルス電圧に着目した。二層構造のイオン交換膜にパルス電圧を印加することで、コーティングされていない銅や静電圧の場合と比較して、炭素を豊富に含む生成物が250%増加した。
一部の研究者は新しい触媒の開発に注力しているが、触媒の発見は運転条件を考慮していない。触媒表面の環境を制御することは、新しい、従来とは異なる手法である。
「私たちは全く新しい触媒を開発したわけではなく、反応速度論に関する私たちの理解を活用し、この知識を触媒部位の環境をどのように変化させるかを考える際の指針として用いました」と、バークレー研究所のエネルギー技術分野の科学者であり、論文の共著者でもある上級エンジニアのアダム・ウェーバー氏は述べています。
次のステップは、コーティング触媒の生産を拡大することです。バークレー研究所のチームが行った予備実験では、小型の平面モデルシステムを使用しましたが、これは商業用途に必要な大面積の多孔質構造よりもはるかに単純でした。「平面にコーティングを施すのは難しくありません。しかし、商業的な方法では、小さな銅球にコーティングを施す必要があるかもしれません」とベル氏は述べています。2層目のコーティングを追加するのは困難です。1つの可能性は、2つのコーティングを溶媒中で混合して堆積させ、溶媒が蒸発したときに分離することを期待することです。分離しなかった場合はどうなるのでしょうか？ベル氏は「もっと賢くする必要がある」と結論付けました。詳細は、Kim C、Bui JC、Luo Xらによる論文「銅上の二重層イオノマーコーティングを用いたCO2の多炭素生成物への電気還元のためのカスタマイズされた触媒マイクロ環境」Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8を参照してください。
この記事は、以下の資料を基に作成されています。注：資料は長さや内容の調整のため編集されている場合があります。詳細については、引用元にお問い合わせください。
投稿日時：2021年11月22日
