新材料：科学者が二酸化炭素をカーボンナノファイバーに変換する過程を理解する

米エネルギー省は、ブルックヘブン国立実験室とコロンビア大学の研究者が共同で電気化学と熱化学反応を結合する新技術を開発し、二酸化炭素を炭素ナノ繊維に変換することができ、この材料は幅広い性能と多くの潜在的な用途を持っていると発表した。

この技術は比較的低い温度と環境圧力の下で、炭素を固体形態の物質にロックして、炭素排出を相殺し、負の炭素排出を実現することができる。この研究は近日『自然-触媒』に発表された。

「カーボンナノファイバーをセメントに入れることができます」と論文通信の著者の一人、コロンビア大学化学工学教授の陳景光氏は紹介した。「これは炭素をコンクリートに50年、さらに長い間閉じ込めます」。

また、このプロセスは水素ガスの生産にも使用でき、これは非常に有望な代替燃料であり、使用時にゼロエミッションを実現することができる。

二酸化炭素を捕獲したり、他の材料に変換したりして気候変動に対応する考えは新鮮ではありませんが、二酸化炭素を簡単に貯蔵すると漏れてしまいます。二酸化炭素を変換して生成された炭素系化学品や燃料の多くはすぐに使用され、二酸化炭素が大気に放出されることになる。

陳景光氏は「二酸化炭素を付加価値があり、強固で有用な物質に変換しようとした」と述べた。

このような固体炭素材料には、強度、熱伝導率、電気伝導率など、多くの魅力的な特性を持つ10億分の1メートルサイズのカーボンナノチューブとナノファイバーが含まれる。しかし、二酸化炭素から炭素を抽出し、これらの精密な材料に変換するには、1000℃を超える温度が必要であり、大規模な排出削減には現実的ではない。

対照的に、科学研究者が開発したこの技術は400℃前後で実現でき、工業分野で使用できる。

論文の第1著者であるブルックヘブン国立実験室とコロンビア大学の謝振華研究者は、「反応をいくつかのサブ反応ステップに分解すれば、異なる種類のエネルギー入力と触媒を利用して反応のすべての部分を機能させることが考えられる」と述べた。

研究者はまず、炭素ナノ繊維を製造する上で、一酸化炭素は二酸化炭素よりも良い原材料であることを認識し、二酸化炭素から一酸化炭素を生成する有効な方法を探し始めた。

このチームの初期の作業は、二酸化炭素と水を一酸化炭素と水素に分解するために、炭素にパラジウムを担持した市販の電気触媒を使用するように導いた。

第二段階では、科学者は鉄コバルト合金から作られた熱活性化熱触媒に転向した。後者は400℃前後の温度で動作し、二酸化炭素を直接カーボンナノファイバーに変換するのに必要な温度よりもはるかに温和である。さらに、追加の金属コバルトを添加することで、カーボンナノファイバーの形成を促進できることを発見した。

陳景光氏は「電気触媒と熱触媒を直列に接続するプロセスを通じて、この2つのプロセスだけでは実現できない目標を実現している」と述べた。

これらの触媒がどのように動作するかを明らかにするために、研究者は計算モデリング研究、物理的および化学的キャラクタリゼーション研究、および電子顕微鏡を用いたミクロイメージング研究を含む広範な実験を行った。

モデリングの面では、科学者は密度汎関数理論を用いて触媒と活性化学環境が相互作用する際の原子配列とその他の特性を分析し、反応過程における触媒の作用を正確に理解することができる。

同時に、研究者の分析により、カーボンナノファイバーの成長に伴い、触媒が表面から押し出され、触媒金属をより容易に回収できることが確認された。

「酸で金属を浸出すればカーボンナノファイバーを破壊せず、金属を濃縮し、回収して触媒として使用できるようになる」と陳景光氏は述べた。

触媒の回収性、商業的可用性、および第2の反応が比較的穏やかな反応条件は、プロセスに関連するエネルギーおよびその他のコストの評価に役立つ。

研究結果によると、この直列戦略は二酸化炭素の脱炭素を価値のある固体炭素製品にするとともに、再生可能な水素ガスを生産するための扉を開いた。

研究者によると、さらに一歩進んで、これらの過程が再生可能エネルギーによって駆動されれば、結果は真のマイナス炭素排出であり、炭素排出を緩和するための新たな道を開くことになるという。