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二酸化炭素（CO2）は地球上の生命にとって不可欠な資源であると同時に、地球温暖化に寄与する温室効果ガスでもあります。今日、科学者たちは二酸化炭素を、再生可能で低炭素な燃料や高付加価値の化学製品の製造における有望な資源として研究しています。
研究者にとっての課題は、二酸化炭素を一酸化炭素、メタノール、ギ酸などの高品質の炭素中間体に変換する効率的かつ費用対効果の高い方法を見つけることです。
国立再生可能エネルギー研究所（NREL）のKK・ニューアリン氏率いる研究チームと、アルゴンヌ国立研究所およびオークリッジ国立研究所の共同研究者は、この問題に対する有望な解決策を発見しました。研究チームは、高いエネルギー効率と耐久性を備えた再生可能電力を用いて、二酸化炭素からギ酸を生成する変換方法を開発しました。
「二酸化炭素からギ酸への効率的な電気化学的変換のためのスケーラブルな膜電極アセンブリ構造」と題されたこの研究は、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された。
ギ酸は、幅広い用途を持つ潜在的な化学中間体であり、特に化学産業や生物産業の原料として注目されています。また、バイオ精製によってクリーンな航空燃料を生産するための原料としても注目されています。
CO2 の電気分解では、電解セルに電位が加えられると、CO2 がギ酸などの化学中間体やエチレンなどの分子に還元されます。
電解装置の膜電極アセンブリ (MEA) は、通常、電気触媒とイオン伝導性ポリマーからなる 2 つの電極の間に挟まれたイオン伝導性膜 (陽イオン交換膜または陰イオン交換膜) で構成されます。
研究チームは燃料電池技術と水素電気分解に関する専門知識を活用し、電解セル内のいくつかの MEA 構成を研究し、CO2 からギ酸への電気化学的還元を比較しました。
さまざまな設計の故障解析に基づいて、チームは既存の材料セットの限界、特に現在の陰イオン交換膜のイオン除去能力の欠如を活用し、全体的なシステム設計を簡素化することを目指しました。
NRELのKS Neierlin氏とLeiming Hu氏による発明は、新しい多孔性陽イオン交換膜を用いた改良型MEA電解装置です。この多孔性膜は、安定した高選択性ギ酸生産を可能にし、既製の部品を使用することで設計を簡素化します。
「この研究結果は、ギ酸などの有機酸の電気化学的製造におけるパラダイムシフトを示すものです」と共著者のネイエルリン氏は述べています。「この多孔膜構造は、従来の設計の複雑さを軽減するだけでなく、他の電気化学的二酸化炭素変換装置のエネルギー効率と耐久性の向上にも活用できます。」
あらゆる科学的ブレークスルーと同様に、コスト要因と経済的実現可能性を理解することが重要です。NRELの研究員であるZhe Huang氏とTao Ling氏は、部門横断的な協力の下、再生可能電力のコストが1キロワット時あたり2.3セント以下になった場合に、現在の工業用ギ酸生産プロセスとコストを同等にする方法を特定する技術経済分析を発表しました。
「研究チームは市販の触媒と高分子膜材料を使用し、最新の燃料電池と水素電解プラントの拡張性を活用したMEA設計を作成しながら、これらの結果を達成しました」とネイエルリン氏は述べた。
「この研究の結果は、再生可能電力と水素を使用して二酸化炭素を燃料や化学物質に変換することに貢献し、規模拡大と商業化への移行を加速させる可能性があります。」
電気化学変換技術は、次世代の再生可能水素、ゼロ燃料、化学物質、電気駆動プロセス用の材料に焦点を当てた NREL の電子から分子へのプログラムの中核要素です。
「私たちのプログラムでは、再生可能電力を使用して二酸化炭素や水などの分子をエネルギー源として使用できる化合物に変換する方法を研究しています」と、NRELの電子移動および/または燃料生産のための前駆物質戦略ディレクター、ランディ・コートライト氏は述べています。
「この電気化学変換研究は、さまざまな電気化学変換プロセスに活用できる画期的な成果をもたらすものであり、このグループからさらに有望な結果が得られることを期待しています。」
詳細情報：Leiming Hu他「CO2からギ酸への効率的な電気化学的変換のためのスケーラブルな膜電極アセンブリアーキテクチャ」Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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