MITの研究者らは、二酸化炭素をギ酸塩と呼ばれる物質に変換する新しいプロセスを開発した。この物質は水素やメタノールと同様に、発電に利用できる。
この変換プロセスは効率的かつ安価であり、触媒を用いて二酸化炭素と水をギ酸塩に変換する。ギ酸塩は長期間にわたって貯蔵することができる。
二酸化炭素を大気中や発電所の排ガスから回収し、有用なものに変える方法を探る取り組みが世界中で進められている。有望な構想の一つは、化石燃料に代わって一部の用途で使用できる安定した燃料に変換することである。しかし、こうした変換プロセスの多くは炭素効率が低いか、取り扱いが困難、有毒、または可燃性の燃料を生成するという問題を抱えてきた。
今回、MITとハーバード大学の研究者らは、二酸化炭素をギ酸塩に変換できる効率的なプロセスを開発した。ギ酸塩は液体または固体の物質であり、水素やメタノールと同様に燃料電池を駆動して発電に利用できる。すでに工業規模で生産されており、道路や歩道の融雪剤として一般的に使用されているカリウムまたはナトリウムのギ酸塩は、無毒で不燃性であり、保管や輸送が容易である。さらに、生産後数か月、場合によっては数年にわたり、通常の鋼製タンク内で安定した状態を保つことができる。
この新しいプロセスは、MITの博士課程学生であるZhen Zhang、Zhichu Ren、Alexander H. Quinn、ハーバード大学の博士課程学生であるDawei Xi、そしてMITのJu Li教授によって開発されたもので、今週、次の論文で発表された。オープンアクセス論文「Cell Reports Physical Science」このプロセス全体、すなわちガスの回収から、固体のギ酸塩粉末への電気化学的変換、そして燃料電池での発電までの一連の工程は、小規模な実験室レベルで実証された。ただし研究者らは、このプロセスは規模を拡大できると見込んでおり、個々の住宅に排出ゼロの熱と電力を供給したり、産業用途や系統規模の用途に利用したりできる可能性があるとしている。
Li氏によると、二酸化炭素を燃料に変換する他の方法は、通常二段階のプロセスを伴う。まずガスを化学的に回収し、炭酸カルシウムという固体の形に変える。その後、その物質を加熱して二酸化炭素を追い出し、一酸化炭素などの燃料原料に変換する。二段階目の工程は効率が非常に低く、通常、気体の二酸化炭素のうち20％未満しか目的の生成物に変換できないという。
これに対し、新しいプロセスでは90％を大きく上回る変換率を達成し、非効率な加熱工程を不要にしている。まず二酸化炭素を中間体である液体の金属重炭酸塩に変換する。その液体を、原子力、風力、太陽光などの低炭素電力を用いる電解槽で電気化学的に変換し、液体のカリウムまたはナトリウムのギ酸塩にする。得られた高濃度のカリウムまたはナトリウムのギ酸塩溶液は、例えば太陽光による蒸発などで乾燥させて固体粉末にすることができる。この粉末は非常に安定しており、通常の鋼製タンク内で最長数年、場合によっては数十年保管できるとLi氏は述べている。
Li氏は、チームが開発した複数の最適化工程によって、非効率な化学変換プロセスを実用的な解決策へと転換できたと述べている。Li氏は原子力工学科と材料科学工学科を兼任している。
炭素の回収と変換プロセスは、まずアルカリ溶液を用いた回収工程から始まる。この工程では、発電所の排出ガスなどの高濃度の流れや、大気などの非常に低濃度の発生源から二酸化炭素を濃縮し、液体の金属重炭酸塩溶液の形にする。次に、陽イオン交換膜電解槽を用いて、この重炭酸塩を電気化学的に固体のギ酸塩結晶へ変換する。チームの実験室規模の実験で確認された炭素効率は96％を超えている。
これらの結晶は無期限の保存寿命を持ち、ほとんど、あるいはまったく損失なく、数年、場合によっては数十年にわたって保管できるほど安定している。比較として、現在利用可能な最良の実用的な水素貯蔵タンクでさえ、1日あたり約1％の速度でガスが漏れ出すとLi氏は述べている。このため、1年にわたる保管を必要とする用途は不可能である。もう一つの有力な代替案であるメタノールは、二酸化炭素を燃料電池で使用できる燃料へ変換するものとして広く研究されているが、有毒物質であり、漏出が健康被害を引き起こす可能性がある状況では容易に利用できない。一方でギ酸塩は、各国の安全基準によれば広く使用されており、無害とみなされている。
このプロセスの効率が大幅に向上した要因はいくつかある。まず、膜材料とその構成を慎重に設計したことで、従来の同様のシステムで問題となっていた課題を克服した。従来は、特定の化学副生成物が蓄積してpHが変化し、時間の経過とともにシステムの効率が着実に低下していた。Zhang氏は次のように述べている。「従来、原料の長期的で安定した連続的な変換を実現することは困難でした。当システムの鍵は、定常状態での変換のためにpHの均衡を実現することにあります。」
この目標を達成するため、研究者らは熱力学モデリングを行い、新しいプロセスが化学的に均衡し、pHが定常状態を保ち、時間の経過とともに酸性度が変化しないように設計した。そのため、長期間にわたって効率的に運転を続けることができる。試験では、システムは200時間以上稼働したが、出力の大幅な低下は見られなかった。プロセス全体は常温かつ比較的低い圧力（大気圧の約5倍）で実施できる。
もう一つの課題は、有用でない望ましくない副反応によって他の化学物質が生成されることだった。チームは、重炭酸塩を豊富に含むグラスウールの追加的な「緩衝」層を導入することで、これらの副反応を防ぐ方法を見出した。この層が副反応を遮断する。
チームはまた、このギ酸塩燃料による発電に特化して最適化した燃料電池も製作した。貯蔵されたギ酸塩の粒子は、必要に応じて水に溶解させ、燃料電池へ送り込むだけでよい。固体燃料は純粋な水素より大幅に重いが、水素を貯蔵するために必要な高圧ガスタンクの重量と容積を考慮すると、結果として、同じ貯蔵容積あたりの発電量はほぼ同等になるとLi氏は述べている。
ギ酸燃料は、家庭用の小型装置から大規模な産業用途や系統規模の貯蔵システムまで、幅広く適用できる可能性があると研究者らは述べている。初期の家庭用途としては、冷蔵庫ほどの大きさの電解槽を設置して二酸化炭素を回収し、ギ酸塩に変換することが考えられる。生成したギ酸塩は、地下または屋上のタンクに貯蔵できる。必要なときには、粉末状の固体を水と混ぜて燃料電池に供給し、電力と熱を得ることができる。Zhang氏は次のように述べている。「これは地域社会や家庭での実証のためのものですが、将来的には工場や系統にも役立つと考えています。」
「ギ酸塩経済は、金属ギ酸塩が非常に無害で安定しており、優れたエネルギーキャリアであるため、興味深い構想です」と、ノースウェスタン大学の化学・電気・コンピュータ工学の教授で、本研究には関与していないTed Sargent氏は述べている。「著者らは、重炭酸塩原料からギ酸塩への液体同士の変換において効率の向上を実証し、これらの燃料を後に発電に利用できることも示しました」と同氏は述べている。
本研究は、米国エネルギー省科学局の支援を受けて実施された。
