触媒作用は私たちのCO2問題から私たちを救うことができますか？

惑星地球には二酸化炭素の問題がある。 地球温暖化や前例のない気候変動に貢献するCO2排出量については、日常的に聞いています。 人間の活動は、毎年推定37.1億トンのCO2を大気中に排出しており、そのほぼ80％は化石燃料から直接供給されています。 一部の先進国では排出量が減少していますが、排出量の増加の世界的な傾向は減速の兆候はほとんどありません–実際、2019は記録が始まって以来、大気中 状況が続くと、パリ協定の目標を達成する可能性は何もなくなり、不可逆的な気候の混乱の幽霊は恐ろしい現実になるでしょう。

世界中の科学者たちが、人類の活動によって生産されたCO2を捕獲するなど、この問題を解決する方法に取り組んでいます。 しかし、一度捕獲されると、非常に多くのプロセスの副産物として形成されたCO2をどのように活用することができますか？ 地下に保管する人もいれば、投棄すべきではない貴重な資源として扱うべきだと提案する人もいます。 企業はすでに、捕獲されたCO2を建設資材、肥料、さらにはプラスチックに変換する技術を商業化しています。 別の提案は、このオプションの緑の資格情報は疑わしいが、強化された石油回収のために直接ガスを使用することです。

再生可能な電力を活用して不要なCO2を貴重な化学物質に変える研究がますます活発になっています。 CO2を燃料や原料に変えることは、汚染された廃棄物を有用なものに変えるだけでなく、最初にそれを生成する化石燃料への依存を減らします。 デラウェア大学で炭素利用のための電気化学デバイスを研究するグループを率いるFeng Jiaoは、”石油炭素源ではなく炭素源としてCO2から始めると、どのよ

このプロセスは一般的に、濃縮されたCO2の流れを電気分解セルに供給することによって機能します。 CO2は電極の表面で減少し、移動する電子の数に応じて、分子の範囲を作ることができる。 これらの生成物は電解質中に形成され、次いで分離システムに供給され、電解質および未反応のCO2はリサイクルされる。 一般的な製品は、一酸化炭素、メタン、ギ酸です。 しかし、エタノールやプロパノールのようなより複雑で価値のある製品が可能です。

炭素経済

Jiaoは、大規模なCO2電気還元の経済学の詳細な分析を実施し、昨年、技術の可能性について米国上院エネルギー委員会に証言しました。 重要な財務上の考慮事項は、捕獲されたCO2の価格、電解槽の材料とその寿命、製品の浄化、そして重要なことに、プロセスを駆動する電気のコストです。 “電気コストは本当に重要であり、総運用コストの約70％です”とJiao氏は指摘しています。 これは、再生可能エネルギー源からの電力コストが低下し続けるにつれて、CO2の電気触媒変換が食欲をそそる見通しになることを意味します。 現在のモデルは、£0の電気価格でそれを示唆しています。03/kWh、CO2電気還元は、より一般的に化石燃料源から派生したいくつかの製品を生産するための競争力のある方法になります。 これを文脈に置くために、陸上風力プロジェクトはすでにkWhあたり£0.05未満で電力を生産しており、一部は一貫して£0.03目標を下回っています。

例えば、水素を作るために水を電解するなど、CO2削減の追加の利点は、生成された液体炭化水素生成物が既存のエネルギーおよび輸送インフラに供給 Jiao氏はまた、現在、電解槽技術は研究室で小規模に使用されていますが、本質的にスケーラブルであり、発電所や化学プラントなどのCO2源に適してい 「この技術は比較的短期間で実装できると私は信じています」と彼は付け加えます。

では、この技術は本当に世界的に放出されているCO2の量に凹みを作ることができますか？ Jiaoは、米国のエネルギー部門だけで放出されたCO2を最も単純な製品に変換するには、世界の総エネルギー出力の約8％に相当する1.5兆ワットが必要で 「もちろん、これは複雑な問題です–他の場所では電気が必要なので、すべての電気を取ってこの変換を行うことは間違いありません」と彼は言います。 しかし、化石燃料の使用を止める必要性と再生可能電力の利用可能性の高まりが、電気化学システムのためのユニークな機会を生み出すことを堅 「しかし、電気化学的CO2変換は、CO2排出問題に対処するための経路の一部に過ぎないことを忘れないでください」とJiao氏は付け加えます。 彼は、電気触媒アプローチが、熱化学的および生物学的プロセスを含む一連の技術の一部として機能し、排出問題に取り組む未来を予測しています。

このビジョンを実現することは、多くの問題の解決策を見つけることを意味します。 プロセスを駆動するために必要な過電位が降りてくる必要があるので、CO2を削減するために必要な電力が少なくなります。 変換効率を高めることも重要であり、システムを流れるCO2の多くを貴重な燃料や原料に変換します。 これらは、分離混合物のコスト（財政的および精力的な両方）を下げるために、最小限の副生成物で高濃度で形成する必要があります。 そして、製品自体を改善する必要があります–より複雑でより価値のある化学物質を作成することによって、技術はより経済的になり、投資収益率が高 最近の進歩は、この技術が近い将来に実行可能になるというJiaoの見解を強化し、これらの目標のすべてに進歩を遂げました。

今、あなたが作ることができる分子の種類を拡大するために多くの作業が行われています。 “CO2電解コミュニティのための最もエキサイティングな材料は、おそらく銅ベースの触媒である、”Jiaoは説明しています。 それは、これらが炭素–炭素結合を作ることができるからです–あなたはC2またはC3化合物を作ることができます。”エタノールとプロパノールは燃料として使用することができますが、エチレンは、化合物の巨大な範囲を作るために使用することができるように特に魅

表面効果

主要なアプローチでは、CO2を最初にCOに還元し、さらに反応させることが必要です。 二段階プロセスはelectrolyserの技術のための先の本当らしい方法ようである。 しかし、最近の報告では、金ナノ粒子が高濃度のCOを生成し、周囲の銅箔によってエタノールやn-プロパノールなどのアルコールにさらに還元される金と銅のタンデム触媒を実証した。2このシステムはメタンまたはメタノールのような単一カーボンプロダクトよりC2プロダクトのために100倍選択的です。

触媒の表面構造が重要な役割を果たしています。 テクスチャグラフェン系膜上に銅ナノ粒子からなる電極は、CO2から84％と高い選択性でエタノールを生成することが示され、他の場所では、ホウ素をドープした銅表面も触媒の安定性とC2生成物の生成を改善することが示されている。 Jiaoのグループは最近、2Dナノシートに露出した銅表面を慎重に選択することで、高い速度と選択性で酢酸を生成しながら、一般的な副生成物の形成を抑

Ted SargentはToronto大学のグループを率いており、触媒性能において欠陥が果たす役割を広範囲に調査しています。 彼らは最近、プロパノールの形成を促進する特別に調整されたナノキャビティを有する銅粒子を開発した。3空洞は効果的にそれらに別の炭素を強制的にC2中間体をトラップします。 このシステムは、他の最先端の触媒よりも有意に高いプロパノール選択性を達成した。 “これは本当の進歩です、それはC3製品のための印象的に高いファラデー効率だし、それはハンドル、三つの炭素製品に向かってCO削減を指すレバーを示し、”サージェント氏は述べています。 また、低配位原子のクラスターであるadparticleを電極表面に導入することで、同様に印象的な結果が得られることを示しており、Sargentは、さらなる開発により、将来的にはC4

これらの複雑な製品を作る能力は明らかな利点ですが、新しい技術革新によって電解槽システムの効率も向上しています。 特に、ガス拡散電極は、COの水性電解質への溶解度が低いことによる問題を克服し、より高い変換速度を可能にしています。 これらの電極は、ガスが触媒に到達する前に通過する多孔質層を組み込む。 Sargentのグループは、炭素ベースのガス拡散層上に堆積した100nm厚の銅層から形成された触媒を示し、CO2から70％の選択性でエチレンを製造することを可能にした。4一方、Jiaoのチームは、2つの炭素の長さとそれ以降の製品へのCOの最速の報告された電気還元を提供するシステムで多孔質電極を使用しています。 しかし、この場合であっても、セルに入る総COの26％のみが単一のパスで変換されます。5

Gas guzzlers

変換問題に対する工学的解決策はすでに存在する可能性があります。 別の最近の研究では、Stanford大学のMatt Kananが率いるチームは、ガス拡散を改善するために燃料電池業界で使用されているフロー技術を再利用しました。 チームは、coから酢酸ナトリウムを生成するシステム内の電極のガス拡散層にできるだけ多くのガスを強制するために、インターディジット流れ場を使

‘私たちが最初にしたことは、COの触媒表面への輸送を最大限にし、同時に触媒からの生成物の抽出を最大限にすることでした”とKanan氏は説明します。 “そして、私たちがした第二の大きなことは、電極とセルの残りの部分との界面で遊んで、液体電解質の量を最小限に抑えて、濃縮された液体製品の流 システムは単一パスで細胞に入るCOの印象的な68%の転換を達成する。

日常的なプロセスのための燃料や原料を作ることは別として、これらのCO2電解槽はいつかさらに遠くに適用される可能性があります。 KananのグループはNasaと協力して、長期宇宙ミッションのためにCO2を食料や原料に変えています。 “私たちのコラボレーションの核心は、微生物を設計して基質を取り、食物や栄養素、ビタミンなど、人間の生命を維持するのに役立つあらゆる種類のもの 「しかし、特定の理由で光合成生物を実際に使用することはできませんが、宇宙で光反応を使用するのに十分効率的ではありません。”

これらの条件で微生物をサポートするために、Kananのチームは宇宙飛行士によって呼吸されたCO2をリサイクルすることを提案する。 “C2基質、特に酢酸を作ることができれば、成長するだけでなく、酢酸を炭素やエネルギー源として生合成し、あらゆる種類の有用なものを作ることがで

これらの進歩は有望ですが、まだやるべき作業があります。 主な心配は、ほとんどの新しい研究は、削減が行われているセルの側の効率に焦点を当てているということです。 なぜなら、私たちのテクノ経済モデルはすべて、これが50％を超える必要があることを示しており、私たちが報告しているデバイスのほとんどは20-30％の範”サージェントは言う。 “高電流では最大選択性を達成するが、最小電圧では最大選択性を達成するためのアプローチを考案することは、依然として高い優先順位を維持します。’

システムをより大きなスケールでどのように設計できるかを示し、耐久性を実証することもかなりの課題になります。 交通の経済モデルは、20年の寿命を持つ商業的なCO2削減システムを考慮しています。 “しかし、研究室では一週間しかテストできないので、そこには大きなギャップがあります”と彼は言います。

確かにこの技術を大規模に使用するにはまだハードルがありますが、クリーンな電力を使用してCO2を燃料や原料に変換し、既存のインフラと迅速に統合することは重要で達成可能な目標です。 この分野は学界、新興企業、政府機関から大きな関心を集めており、技術が私たちを自分たちから救うのを助けることであれば、今後数年間の開発が重