高温高圧水環境で二酸化炭素の電気分解効率を向上～未利用低温廃熱と再生可能エネルギーの利用で大気中二酸化炭素の減少も可能に～

2024-11-08

2024-11-08 東北大学

学際科学フロンティア研究所　教授　笘居高明

【発表のポイント】

水熱反応場^（注１）と呼ばれる高温高圧水環境を利用することで電気化学的二酸化炭素（CO₂）還元反応（CO2RR）^（注２）プロセスの効率が大幅に向上することを実証しました。
技術アセスメントにより、本手法を利用することでカーボンネガティブになる基礎化学品（メタノール）の合成が可能になることも示しました。
次世代の持続可能な循環型社会において水熱反応場を利用した電解技術が重要な役割を果たすことが期待されます。

【概要】

CO₂を電気分解し、資源化する「電気化学的CO₂還元反応（CO2RR）プロセス」は、抜本的なCO₂削減手法として注目されています。これは、再生可能エネルギー（太陽電池電力）を活用して空気中のCO₂を還元することで、大気中のCO₂を削減できるだけでなく有用な物質が得られるという画期的なスキームです。今回、東北大学学際科学フロンティア研究所の笘居高明教授、同大学多元物質科学研究所の岩瀬和至講師、産業技術総合研究所のAlexander Guzman主任研究員、宇都宮大学の佐藤剛史教授らの研究グループは、水熱反応場と呼ばれる高温高圧水環境を利用して、CO2RRプロセスの高効率化が可能であることを実証しました。CO₂で加圧した150°C、100気圧の高温高圧水条件で電気分解を行うと、水中のCO₂の高い拡散係数^（注３）と溶解度により、電極へのCO₂供給が促進されるため、プロセスのエネルギー効率を大幅に改善できることが分かりました。さらに、再生可能エネルギー由来の電力に加え、工場の未利用低温廃熱の利用により、CO₂吸収量が排出量を上回る「カーボンネガティブ」な基礎化学品（メタノール）の合成が可能なことを技術アセスメントによって示しました。

本研究成果は、米国化学会が発行する学術誌Advanced Sustainable Systemsに2024年11月6日付けで掲載されました。

図1.（a）各温度における電流電圧曲線（陽極プラチナ板、陰極金板、100気圧、CO₂飽和KHCO₃（炭酸水素カリウム）溶液）、（b）各温度における生成物（Formate（ギ酸）、Methanol（メタノール）、Acetate（酢酸）、Ethanol（エタノール）、CO（一酸化炭素）、Hydrogen（水素））（~100 mA/cm²条件での結果）。温度上昇に伴って電流密度が増大するため、より低い電圧でも同等の反応を進行（エネルギー効率を向上）させることができている。（原論文 Tomai et al. (2024) の図を改変して使用。）

【用語解説】

注1. 水熱反応場
100 °C、1気圧（1 cm³に約1 kg重の力がかかった状態）以上の高温高圧状態にある液体水環境。

注2. 電気化学的二酸化炭素（CO₂）還元反応（CO2RR）
電気分解反応によりCO₂（二酸化炭素）を分解し、酸化物から酸素を減らすことで、化学的に有用な物質に変換する反応。

注3. 拡散係数
媒質中での対象となる物質の拡散の速さを表す比例定数。ある濃度勾配のもと、単位時間当たりに単位面積を通過する物質の量として定義される。

【論文情報】

タイトル：Hydrothermal conditions enhance electrochemical CO2 reduction reaction: a sustainable path to efficient carbon recycling
著者：笘居高明*（東北大学学際科学フロンティア研究所）、Alexander Guzman*（産業技術総合研究所）、佐藤剛史（宇都宮大学）、岩瀬和至（東北大学多元物質科学研究所）
*責任著者：東北大学学際科学フロンティア研究所　教授　笘居高明
産業技術総合研究所　主任研究員　Alexander Guzman
掲載誌：Advanced Sustainable Systems
DOI：10.1002/adsu.202400489

詳細（プレスリリース本文）