二酸化炭素から再生可能メタンを生成する新型反応器設計 (New reactor design produces renewable methane from carbon dioxide)

2026-05-12 ペンシルベニア州立大学(Penn State)

米ペンシルベニア州立大学(Penn State)の研究チームは、二酸化炭素(CO2)から再生可能メタンを高効率で生成できる新型リアクターを開発した。研究では、CO2と水素を反応させてメタンを合成する「メタネーション反応」を改良し、熱管理と反応効率を最適化した新しい反応器構造を設計。従来より安定的かつ効率的にメタンを生成できることを示した。生成されるメタンは既存の天然ガスインフラで利用可能なため、再生可能エネルギー由来水素と組み合わせれば、カーボンニュートラル燃料として活用できる可能性がある。研究チームは、この技術がCO2排出削減だけでなく、余剰再生可能エネルギーの貯蔵手段としても有望だとしている。成果は、脱炭素社会に向けた燃料循環技術や持続可能エネルギーシステム構築に貢献すると期待されている。

二酸化炭素から再生可能メタンを生成する新型反応器設計 (New reactor design produces renewable methane from carbon dioxide)
An internal view of the reactor system that efficiently converts carbon dioxide and renewable electricity into methane. Credit: Bruce Logan. All Rights Reserved.

<関連情報>

スケールアップしたゼロギャップセルにおける微生物によるメタンの電気合成 Microbial electrosynthesis of methane in an up-scaled zero-gap cell

Bin Bian, Xinrui Ma, Sen Li, Najiaowa Yu, Chenghan Xie, Wulin Yang, Bruce E. Logan
Water Research  Available online: 9 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125723

Highlights

  • Up-scaled zero-gap MES reactor achieved 6.9 L/L-d methane at 30 °C.
  • Energy efficiency reached 45 %, among the highest under standard MES conditions.
  • Hydrogen-mediated electron transfer proved essential for high-rate methanogenesis.
  • Extended 30-cm flow path enabled uniform biofilms and efficient H2 utilization.
  • Scale-up preserved high CE (>95 %) and stable Methanobacterium-dominated communities.

Abstract

Microbial electrosynthesis (MES) offers a promising route for converting CO2 into value-added products, yet low energy efficiency remains a major obstacle, especially during scale-up. To address this issue, an up-scaled zero-gap MES reactor with an extended 30-cm flow path was developed and operated under a range of applied voltages to assess energy conversion and methane production performances. Increasing the cell voltage from 2.3 V to 2.7–2.8 V boosted the current density by 131%, reaching 17.5 A m-2. This improvement produced a corresponding rise in methane production from 1.4 to 6.9 L/L-d, achieving high coulombic efficiencies (>95%) and one of the highest energy efficiencies (45.2%) for methane synthesis at 30 °C. Simulations underscored the key role of hydrogen as the mediator of electron transfer, showing that sufficient in-situ hydrogen generation was essential for sustaining high methane production in the up-scaled reactor. Microbial community analysis revealed minimal spatial heterogeneity along the extended flow path, with the cathodic biofilms consistently dominated by hydrogenotrophic Methanobacterium (59.8% and 50.5% at the bottom and top), reflecting stable microbial functionality under scale-up conditions. Overall, the results demonstrate that with proper operational optimization, MES can be scaled up effectively without compromising energy efficiency or microbial–electrochemical synergy, offering a viable pathway for CO2-to-methane conversion in up-scaled systems.

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