CO2を再生可能なプロパン燃料へ効率的に変換する革新的な電解装置
(scienceswitch.com)- CO2をプロパンへ直接変換する電解装置が、安価で入手しやすい材料で実現され、温室効果ガス削減と再生可能化学物質製造の可能性を提示
- 安価な金属と有機化合物を基盤とした独自の触媒システムにより、炭素原子3個で構成されるプロパンを生産
- これまで極めて困難だったCO2の多炭素分子への変換を、実験と計算モデリングによって解決し、触媒の反応活性・選択性を解明
- 連続フロー（continuous-flow）設計により、従来のバッチ方式の限界を超え、途切れのない拡張可能なプロパン生産を実現
- 2050年ネットゼロ目標と連動し、政府機関と世界的なプロパン企業の支援を受ける持続可能な化学製造の進展
電解装置の概要
- Illinois Institute of Technology（IIT）の研究チームが、二酸化炭素をプロパンへ効率的に変換する電解装置を開発
- 安価で入手しやすい材料を用いて実現
- 研究成果は Nature Energy に掲載
- 温室効果ガス排出の削減と再生可能な化学物質製造に大きな可能性を提供
- 研究を主導した Mohammad Asadi は「再生可能な化学物質の製造は非常に重要であり、現在日常的に使っている化学物質を失うことなく、炭素循環を閉じるための最善の方法だ」と説明
中核技術 — 触媒システム
- 安価な金属と有機化合物を活用した独自の触媒システムが、この革新の中核
- プロパンは炭素原子3個で構成される、広く使われている燃料
- これまで、CO2をプロパンのような複雑な多炭素分子へ変換することは極めて困難な課題だった
- 実験と計算モデリングを組み合わせ、触媒が高い反応活性とプロパンに対する選択性を達成する原理を解明
- 触媒の性能と安定性に影響を与える主要因を把握
連続フロー設計の利点
- 連続フロー（continuous-flow）電解設計が、この技術の主要な強み
- 途切れのない拡張可能なプロパン生産を実現
- 従来のバッチ（batch）方式によるCO2変換システムの限界を克服
- 実験室規模のプロトタイプを実装し、商業的に実現可能な持続可能エネルギーソリューションの開発意志を示した
意義と協力
- 2050年ネットゼロ温室効果ガス排出の達成に向けた国家的取り組みと合致
- Advanced Research Projects Agency-Energy などの政府機関から高い評価と支援を確保
- 世界的なプロパン企業 SHV Energy と協力し、技術の最適化と普及を推進
- SHV Energy の Keith Simons は「この不可欠な燃料の世界中の利用者に向けた、目的志向型プロパン生産の新たな e-fuel ルートを開く刺激的な前進だ」と評価
- 産業部門の炭素排出削減の可能性とともに、持続可能かつ再生可能な化学製造に向けた重要な前進
1件のコメント
Hacker News の意見
実際の科学的な中身はこの部分：「アニオン交換アイオノマーでコーティングされた 1-ethyl-3-methylimidazolium 機能化 Mo3P ナノ粒子触媒システムが、電解槽内で可逆水素電極比 −0.8V、100時間にわたり −395 mA cm−2 の電流密度と91%のファラデー効率で、CO2 からプロパンを生成する」
ほとんど信じがたいほど良く、商業的に意味のある反応速度・効率・時間スケールを示している
特許はすでに出願済みだろうから、20年後に特許が切れれば、回収した CO2 を処理する標準的な方法になりそう
技術が本当にそれほど有効で、特許権者が少しでも経済的に合理的なら、特許満了のずっと前から回収 CO2 処理の標準として推し進めるのは特許権者である可能性が高い
特許は利点ばかりの制度ではないが、この構図で無視するには大きすぎる要素だ
要約は、電気触媒エネルギー変換セルの電極に tri-transition metal phosphide 触媒を導入して水素ガスを作る方法と装置に関するもの
Google Patents は「M03P」と書いているが、PDF の要約では「MO3P」となっており、本文上は明確に「Mo3P」だ
この特許が今回の技術そのものではないとしても、補足図20で ImF-Mo3P 触媒が「pristine Mo3P nanoparticles」より改善していることを示しており、著者らには関連特許が複数あるので、今回の技術も特許出願されている可能性が高い
今日の濃縮 CO2 はほぼすべて化石燃料の消費から出ており、それをプロパンに変えて船や家庭用ボイラーで燃やせば、炭素を二度使うことにはなるが、結局は大気に放出される
核心は、大気中炭素の回収 + 触媒によるプロパン生産 + プロパン燃焼の全体効率だ
燃焼熱がどうしても必要なプロセスや、電気よりプロパンの携帯性が大きな利点になる場合には、計算が合うかもしれないし、再生可能エネルギー間の電力貯蔵媒体にもなり得る
結局は数字次第だ
たとえば自分の車が LPG 100kWh 分を燃やすとしたら、排ガスから何 kWh 分のプロパンを回収できて、そこに何 kWh の電力を投入する必要があるのか知りたい
この方式が CO2 が少しあるだけでよいのか、それとも O2 のない濃縮 CO2 雰囲気が必要なのかは明確ではない
大気中の 0.4% の CO2 を抽出するのは高価だ
高炉のような場所から出る濃縮 CO2 を使うつもりなら、現地ですぐ使う必要があるのか、長距離パイプラインで送る必要があるのか、ボンベに詰める必要があるのかも問題になる
電化では代替できず、必ずプロパンを燃やさなければならない用途があるのかも気になる
欧州には、夏にガスを買って冬の暖房に使うための巨大な天然ガス貯蔵施設がある
再生可能な形で同様の貯蔵手段が必要になるはずで、その貯蔵庫をグリーンプロパンで満たせるならすごいことだ
既存の暖房インフラを維持でき、夏の太陽光発電の余剰分を見事に活用できる
正直、良すぎて信じがたいレベルだ
外洋を航行する大型船を全行程バッテリーで運航するのはほぼ不可能だが、LPG、実質的にはプロパン/ブタン混合物なら可能だ
より大きな炭化水素へ結合する追加の化学技術またはバイオ技術が開発されれば、航空用合成燃料の前駆体としても使える
今プロパンを使っているものがあまりにも多く、それらを全部電化改造するより再生プロパンを供給するほうがはるかに簡単だ
電気で作ると 13k/220 = 60A の接続が必要で、こちらの家庭用配線標準の3倍だ
そして、このプロセスの供給源として使うには低すぎるという点は正しい
2019年に Stanford が似たような発表をしていた件はどうなったのだろう？ https://news.stanford.edu/2019/10/17/new-catalyst-helps-turn-carbon-dioxide-fuel/
ルテニウムとイリジウムは安定した触媒として知られているが、最も希少な元素の部類に入る
Stanford 側の構造は Ru を使っており、今回の論文は豊富な材料だけを提案しているように見える
大規模に使えて安定性も実証されれば、重要な前進だ
同じ膜／触媒を逆方向のプロセスにも使えるのか気になる
つまり、プロパンを大気中の酸素で酸化して水とCO2を排出し、熱の代わりに電気を直接作ることで損失を大きく減らす方式
可能なら、エネルギー貯蔵に大きな意味があるかもしれない
プロパンのエネルギー密度は49.6 MJ/kgで、リチウムイオン電池は約0.8 MJ/kgなので、50倍以上の差がある
太陽光パネルで電気を作り、このシステムでプロパンや電気を作り、曇りの日や数週間に備えて市販の大型プロパンタンクを置いておけばよい
電解槽の反応は概して可逆的
彼らが逆方向、つまり水＋プロパン → CO2＋水素＋電気を、主張している効率91%でできるなら、通常の最高効率が60%程度であるガスタービン発電機をすべて置き換えられる
断続的な再生可能エネルギーの発電分をプロパンに変えて貯蔵する問題さえ解決できれば、すでに勝ったも同然
一般的な効率はどのくらいだろう？
4 H2O + 3 CO2 <=> C3H8 + 5 O2実際の論文: https://www.nature.com/articles/s41560-023-01314-8
この地域のメディアはこれを大きく取り上げそう
周辺の乗用車の13%以上がガソリンとLPG、実質的には大半がプロパンを併用するバイフューエル車で、ハイブリッドにもLPGを入れているため
それでも、こうした車両の地下駐車場への出入りを許可する場所がいまだに少ないのはおかしい
電気料金を見ると化石燃料より安くなる可能性はなさそうなので、自動車に急速に導入されることはなさそう
ちなみに、CO2 → メタン変換を行うTerraform Industriesというスタートアップがある
https://terraformindustries.com/
共同創業者にこの件についての考えを聞いてみた
https://twitter.com/ccorcos/status/1694021803654693342
互いにどう比較されるのか気になる
「陰イオン交換アイオノマーでコーティングされた1-ethyl-3-methylimidazolium機能化Mo3Pナノ粒子」だそうだが、これらの材料を大規模生産するのはどれほど難しく、高価なのだろう？
モリブデンは白金ほど希少でも高価でもないので、それは確かに利点