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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、地球温暖化の原因とな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、再生可能な低炭素燃料や高付加価値化学製品の生産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、ギ酸などの高品質な炭素中間体へと効率的かつ費用対効果の高い方法で変換する方法を見出すことである。
国立再生可能エネルギー研究所（NREL）のKK・ノイエルリン氏率いる研究チームは、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研究者らと協力し、この問題に対する有望な解決策を見出した。同チームは、再生可能エネルギー由来の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た。この方法は、高いエネルギー効率と耐久性を備えている。
「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拡張可能な膜電極アセンブリ構造」と題されたこの研究は、学術誌「Nature Communications」に掲載された。
ギ酸は、特に化学工業や生物工業における原料として、幅広い用途を持つ有望な化学中間体である。また、ギ酸は、バイオ精製によってクリーンな航空燃料を製造するための原料としても注目されている。
二酸化炭素の電気分解では、電解槽に電位を印加すると、二酸化炭素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る。
電解槽内の膜電極接合体（MEA）は、一般的に、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、イオン伝導性膜（陽イオン交換膜または陰イオン交換膜）が挟まれた構造になっている。
チームは燃料電池技術と水素電解に関する専門知識を活用し、電解セル内の複数のMEA構成を研究して、CO2のギ酸への電気化学的還元を比較した。
様々な設計の故障解析に基づき、研究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におけるイオン除去能力の不足を克服し、システム全体の設計を簡素化することを目指した。
NRELのKS Neierlin氏とLeiming Hu氏による発明は、新しい多孔質陽イオン交換膜を用いた改良型MEA電解槽である。この多孔質膜は、安定した高選択的なギ酸生成を可能にし、市販の部品を使用することで設計を簡素化する。
「今回の研究結果は、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、共著者のナイエルリン氏は述べています。「多孔質膜構造は、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を向上させるためにも利用できます。」
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の研究者であるZhe Huang氏とTao Ling氏は、部門横断的な協力のもと、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、現在の工業用ギ酸製造プロセスとコスト面で同等にな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、市販の触媒とポリマー膜材料を使用しながら、現代の燃料電池や水素電解プラントの拡張性を活用したMEA設計を開発することで、これらの成果を達成しました」とネイエルリン氏は述べた。
「この研究成果は、再生可能電力と水素を用いて二酸化炭素を燃料や化学物質に変換するのに役立ち、規模拡大と商業化への移行を加速させる可能性がある。」
電気化学変換技術は、NRELの「電子から分子へ」プログラムの中核を成す要素であり、このプログラムは次世代の再生可能水素、ゼロ燃料、電気駆動プロセス用の化学物質および材料に焦点を当てている。
「私たちのプログラムは、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利用できる化合物や、燃料生産のための電子伝達および/または前駆体、あるいは化学物質に変換する方法を模索しています」と、NRELの電子伝達および/または前駆体戦略担当ディレクターであるランディ・コートライト氏は述べています。
「この電気化学変換に関する研究は、様々な電気化学変換プロセスに応用できる画期的な成果をもたらすものであり、この研究グループから今後さらに有望な成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構造」、Nature Communications (2023)。DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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