二酸化炭素は酸性溶液とアルカリ性溶液で異なる形態を取ります。この超高速の新しい炭素除去技術は光を使って酸性をコントロールすることで、その利点を活用しています。

文： Anthropocene Team
2024年1月18日

国連は気候変動に関する目標を達成するためには二酸化炭素を回収することが重要であると認識しており、世界中で大規模な二酸化炭素の回収に向けた取り組みが進められています。しかし、この技術は依然として高価でエネルギーを大量に消費します。

今回、研究者らは光と特殊な光トリガー分子を用いて混合物から二酸化炭素を取り出す方法を発表しました。Chemistry of Materials誌で報告されたこの方法は、太陽光を動力源とすることができ、温室効果ガスを回収するのに必要なエネルギーを削減することができます。

科学界は何十年もの間、二酸化炭素を回収する技術に取り組んできました。現在、世界中で30件の商業規模の炭素回収プロジェクトが稼動しており、さらに11件が建設中です。

これらのプロジェクトは、二酸化炭素を吸収する液体または固体の材料を使用して、発電所や産業施設で排出された二酸化炭素を回収しています。しかしその材料には費用がかかります。また再利用するためには二酸化炭素を除去するために加熱する必要があり、その後、二酸化炭素は貯蔵されるか化学物質の製造に使用されます。

チューリッヒ工科大学のMaria Lukatskaya教授（電気化学エネルギーシステム）らは、二酸化炭素が酸性溶液とアルカリ性溶液で異なる形態をとることを活用した新しい炭素除去技術を開発しました。二酸化炭素は、酸性の溶液中では二酸化炭素の形で留まる一方、アルカリ性の溶液中では反応して炭酸塩を形成します。

この化学反応は可逆的で、液体の酸性度を逆にすることで切り替えることができます。さらに研究者たちは、光を使って酸性度を切り替える方法を発見しました。光酸と呼ばれる特殊な光活性分子を加え、光を当てると液体が酸性になるようにしたのです。暗くなると元の状態に戻り、液体はアルカリ性になります。

そのため、混合ガスから二酸化炭素を回収するために、研究チームはまず、暗いところで光酸を含む液体に混合ガスを通します。アルカリ性溶液は二酸化炭素が炭酸塩を形成するように働きかけます。液体中に炭酸塩が十分に存在するようになったら、光を照射します。すると溶液が酸性に傾き、炭酸塩が二酸化炭素に変化し、気泡となって出てくるので、それを回収することができます。そして再度このサイクルを繰り返すのです。

このプロセスは太陽光でもうまくいくはずだと研究者たちは言っています。また、数秒から数分で酸性度が逆転するので、熱駆動のアプローチに比べてこのサイクルは速く二酸化炭素を回収することができます。

今のところ1カ月ほどで光酸は液中で分解されてしまいます。現在、研究チームは、分子をより安定させ、さらに方法を最適化することに取り組んでいます。

出典: Anna de Vries et al. Solvation-Tuned Photoacid as a Stable Light-Driven pH Switch for CO₂ Capture and Release. Chem. Mater. 2023.

Image: ©Anthropocene Magazine