捕獲した炭素でエチレンを生産する技術の躍進的発見 (A breakthrough discovery in carbon capture conversion for ethylene production)

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2022-09-09 アメリカ合衆国・イリノイ大学シカゴ校(UIC)

・ UIC が、産業部門が排出する CO2 ガスを高純度のエチレン(C2H4)に変換する、CO2 還元反応(CO2RR)システムを開発。
・ 特定汚染源からの CO2 総排出量を削減し、他の炭素捕獲や炭素変換技術のネットゼロカーボン目標を上回る、ネットネガティブを実現する。
・ 最大 6 トンの CO2 ガスを 1 トンの高純度エチレンに変換し、捕獲した CO2 ガスをほぼ 100%回収。再生可能エネルギーの電力を使用することで、カーボンネガティブなプロセスとなる。
・ PV を使った CO2RR システムでは、現行の標準の 2%を大きく上回る、太陽光エネルギーから炭化
水素製品への(solar -to-carbon)変換効率 10%を、また、太陽光エネルギーからエチレンへの(solarto-ethylene)変換効率約 4%(光合成による変換効率とほぼ同等)をそれぞれ達成した。
・ CO2 排出源内でエチレンを生産するリアクタを使用した従来技術では、エチレンに変換される CO2は僅か 10%に留まる。また、化石燃料を使用したエネルギー集約的なプロセスにより、エチレンを CO2から分離する必要がある。
・ 今回開発の CO2RR システムでは、CO2 と水系溶剤を中央の分離膜で隔てて充填したセルに電流を通し、触媒の働きで水分子の水素原子が CO2 のセルに移動して炭素原子と結合し、エチレンを形成する。
・ 世界の化学物質製造において、アンモニア、セメントに続きエチレンは 3 番目に多く CO2 を排出している。エチレンは、パッケージングや農業、自動車産業用のプラスチック製品に加え、不凍液や医療用滅菌剤、ビニール製の外壁材用の化学薬品の製造に使用されている。
・ 通常、エチレンは大量の熱を使用する水蒸気分解プロセスで製造されているが、このプロセスではエチレン製造量 1 トン当たり約 1.5 トンの CO2 を排出し、世界平均では、年間約 1,6 億トンのエチレン製造で 2.6 億トン超の CO2 を排出している。
URL: https://today.uic.edu/a-breakthrough-discovery-in-carbon-capture-conversion-fore-thylene-production/

<NEDO海外技術情報より>

関連情報

Cell Reports Physical Science 掲載論文(フルテキスト)
CO2-free high-purity ethylene from electroreduction of CO2 with 4% solar-to-ethylene and 10%
solar-to-carbon efficiencies
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422003472?via%3Dihub

Highlights

•Design of an electrochemical system for CO2-free product extraction
•Square-wave oscillating potentials show high C2H4 selectivity
•Gaseous C2H4 purity of 52 wt % is obtained
•PV electrolyzer yields 10% solar-to-carbon and 4% solar-to-C2H4 efficiency

Summary

C2H4 is an essential precursor for synthesis of a range of industrial chemicals while contributing ∼150 Mt of CO2e emissions per year. C2H4 synthesis via electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) is an attractive approach to reduce carbon emissions. The lower single-pass conversion (<10%) of the state-of-the-art CO2 electrolyzers contributes significantly to the cost of post-CO2RR separation of products, rendering even processes with high CO2RR current densities unfit for scaling up. Here, we develop an aqueous flow-through electrochemical cell to enhance the activity and selectivity of C2H4 on a three-dimensional (3D) Cu mesh electrode by applying square-wave oscillating potentials. A high C2H4 faradaic efficiency of ∼58%, C2H4 current density of 306 mA/cm2, and gaseous C2H4 purity of ∼52 wt % without CO2 in the product stream are obtained. Integrating the 3D Cu mesh catalyst in a photovoltaic (PV) electrolyzer yields a solar-to-carbon (STC) efficiency of ∼10% with a solar-to-C2H4 efficiency of ∼4%.

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