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低温で二酸化炭素を資源化する手法を発見 ~温暖化抑制・化石資源消費抑制に貢献することを期待~

 早稲田大学は2020年1月22日,同大学理工学術院の関根 泰 教授らの研究グループが,二酸化炭素(CO2)と再生可能エネルギーで得られる電力・電解水素を,常温から100℃台と低い温度で反応させて資源化する手法を開発することに成功した,と発表した.本研究成果は,日本化学会刊行Chemistry Letters誌のオンライン版に掲載された(注).

 様々な災害の元ともされる地球温暖化への対策は,持続可能な社会発展のために解決すべき喫緊の課題である.温室効果ガスは地球温暖化の原因とされ,その主要成分の(CO2)は,化石燃料の燃焼等による生成の抑制,発生したガスの地中等への封じ込めによる大気中濃度の低減の一方,炭化水素への転換により資源化して有効活用することによる削減が期待される.

 すでにCO2を水素と固体触媒によって還元し,一酸化炭素(CO)やメタン(CH4)などへ転換するプロセスは,ドイツでパワートゥガスと呼ばれ,CO2資源化の実証が進められている.しかし,これまでのところ400℃程度の比較的高い温度を必要とすることが実用化上の課題となっていた.

 これに対し,本研究グループは,再生可能エネルギーから得られた電力と電解水素を用いて,常温から100℃台という低い温度範囲で,回収したCO2を効率よく速やかに資源化することに成功した.従来の触媒プロセスは,温めて反応することを待つというものであった.一方,研究グループは,半導体であるセリウム酸化物(CeO2)に直流電場を印加すると,その表面でプロトン(H+)が動くという「表面プロトニクス」という現象を発見した.そこで,上下にステンレス製電極を有する石英製管状リアクターの固定層としてCeO2に金属ルテニウム(Ru)を担持した触媒を用い,再生可能エネルギーで得られる電力・電解水素(H2)を利用して,印加電場のもとでCO2とH2を通気して反応させたところ,CH4とH2Oに転換する温度が電場によって著しく低下することがわかった.電場を印加しない場合でも,600Kまで加熱すればCO2はH2と反応して70%の変換効率でCH4を生成するが,加熱温度が下がると変換効率は急激に低下し,500Kで約5%,423Kではほぼゼロになる.これに対し電場を印加すると,500Kでも70%の効率を維持し,423Kで20%,350Kでも10%近い変換効率が得られた.この実験のその場観察・現象解析の結果から,低温でも電場印加によって,Ru/CeO2触媒がCO2のメタン化を促進し,Ru-CeO2の界面にある低配位サイトRuがH2O生成に役立っていることが分かったという.また,電場はRuに吸着したCOが反応を妨害するのを抑制するとしている.

 開発したプロセスによって,燃料などを燃焼して排出されるCO2を回収し,再生可能エネルギー由来の電力と電解水素を与えて低い温度で資源化することができる.この技術が,温暖化抑制・化石資源消費抑制に貢献することを期待している.

(注)Kensei Yamada, Shuhei Ogo, Ryota Yamano, Takuma Higo, and Yasushi Sekine, "Low-temperature conversion of carbon dioxide to methane in an electric field", Chemistry Letters, doi: 10.1246/cl.190930; Web Released: January 22, 2020