安価なナノ粒子がカーボンニュートラル燃料への道を開く

スヴァルツェンギ発電所は、アイスランド屈指の観光名所である人工地熱温泉ブルーラグーンのほとりに位置しています。数十年にわたり、アイスランドの人々に地熱電力と熱を供給してきました。問題は、この再生可能エネルギーを地中から抽出するには、ポンプを動かすための化石燃料が必要になることです。そこで2011年、アイスランドのエネルギースタートアップ企業であるCarbon Recycling Internationalが、スヴァルツェンギのCO2排出を回収し、カーボンニュートラルな燃料に変換するジョージ・オラー発電所を建設しまし_た。

_CO2リサイクルのアイデアは、ジョージ・オラー発電所が初めて実用化するずっと前から存在していた。そのアイデアは、発電所から排出される二酸化炭素を化学の魔法を使ってプロパンやメタンなどの有用な燃料に変えるというものだ。CO2以外に_、このプロセスの主な材料は水素と金属触媒だ。これらすべてを一緒に高温で加熱すると、タンクに入った液体炭化水素燃料の出来上がり。炭化水素燃料からの排出こそがこのプロセスが解決しようとしている問題だが、原理的には新しく作られた燃料からの排出を回収することで閉ループを作り出すことができる。世界では毎年約400億トンのCO2が排出されている_ので、そのほんの一部でもカーボンニュートラルな燃料に変換できれば大きな成果となるだろう。

しかし、アイスランドのジョージ・オラー工場は、依然として産業規模で排出物を燃料に変換する唯一の施設です。問題は、最も効率的な技術には製造コストの高いナノ粒子触媒が必要であり、これがこの技術を研究室から実世界への道のりで停滞させている点です。しかし、南カリフォルニア大学と国立再生可能エネルギー研究所の化学者たちが開発した、CO2親和性ナノ粒子を安価に製造する新しいプロセスは、_カーボンリサイクルを主流へと押し上げる可能性があります。「触媒の持続可能な生産は大きなボトルネックでした」と、南カリフォルニア大学の化学エンジニア、ノア・マルムシュタットは述べています。「ナノ粒子触媒は非常に有望であり、それを大規模に持続可能な方法で生産する能力は、まさに私たちが開拓した分野です。」

USCシステムの中核を成すのは、炭化物ナノ粒子です。これは、炭素と別の元素（この場合は銀色の金属モリブデン）の化合物の総称です。このナノ粒子はCO2を磁石のように引き寄せ_、排出物を燃料に変える化学反応を活性化させます。「モリブデン炭化物は、比較的低コストで、炭素と酸素の結合を切断するなど、CO2を燃料に変換するために必要な複数の機能を果たすのに非常に適しているため、私たちにとって特に興味深い材料_です」と、国立再生可能エネルギー研究所のナノ材料科学者であるフレデリック・バドゥール氏は述べています。

_{マルムシュタット氏とその同僚は、金属炭化物ナノ粒子を用いてCO2}をリサイクルする最初の研究対象ではありません。しかし、これまでこれらのナノ粒子を製造するには、反応炉で約1,100°F（摂氏約540度）で焼成する必要がありました。この温度に達するには膨大なエネルギーが必要でした。それでも、得られる粒子のサイズは不均一で、粒子によって開始される化学反応は粒子表面でのみ起こるため、効率が悪くなります。優れた触媒とは、すべての粒子の表面積が最大化されている触媒であり、これはナノ粒子を使用する主な利点の一つです。

この新システムはミリ流体リアクターを用いており、わずか650°F（摂氏約200度）で動作し、金属炭化物原料を幅1ミリメートル未満の流路に押し込む。その結果、ほぼ均一な金属炭化物粒子（文字通りカーボンコピー）が得られ、大規模かつ安価に製造できる。マルムシュタット氏によると、チームは16基のこのリアクターを連動させて制御する様子を実証した論文を査読中だ。これは厳密には工業規模ではないが、大型装置を製作することなく、このプロセスを容易にスケールアップできることを実証している。

一方、バドゥール氏と国立再生可能エネルギー研究所の共同研究者たちは、これらのナノ粒子を用いて二酸化炭素を燃料に変換するプロセスの微調整に取り組んでいる。粒子は非常に小さく、まだ大量生産されていないため、何らかの支持構造が必要となる。そこでバドゥール氏は、これらのナノ粒子を約1グラムの高品質の木炭粉末と混ぜ、小型の炉に投入する。炉は華氏572度に加熱され、高濃度の二酸化炭素と水素の混合物が_注入される。二酸化炭素と水素が粉末上を流れると_、メタンなどの有用な炭化水素を生成する化学反応が引き起こされる。このプロセスが実用化されるまでには多くの改良が必要だが、その方向への有望な一歩だとバドゥール氏は語る。

排出ガス燃料化技術に取り組んでいる他のチームも、実験室での実証を超えてプロセスのスケールアップに苦戦しています。昨年、ライス大学の研究者たちは、再生可能エネルギーで稼働する電解装置を用いて、CO2をギ酸と呼ばれる燃料に変換しました_。ほぼ同時期に、イリノイ大学の研究者たちは、可視光と金ナノ粒子を用いてCO2を燃料に変換する「人工光合成」の実証に成功しまし_た。

非常に多くの異なるアプローチが試験されていることは気候にとって良い兆候ですが、今日の排出物を明日の燃料に変換するには、まだ長い道のりがあります。大きな課題は、排出物を燃料に変換する多くの技術では、化学反応を開始するために大量の水素が必要であり、ほとんどの水素は天然ガスを高温蒸気で分解することによって生成されることです。このプロセスではCO2が排出され_、排出物を燃料に変換するパイプラインの再生可能側面が損なわれます。

「持続可能な燃料生成に真に必要なのは、再生可能な水素ガス製造プロセスです」と、人工光合成研究を主導したイリノイ大学の化学者プラシャント・ジェインは述べています。再生可能エネルギー由来の電力で水分子を分解するなど、大規模なクリーン水素製造に関する研究は行われていますが、これらの技術はまだ初期段階にあります。

USCの安価で拡張可能なナノ粒子製造アプローチは、排出ガス燃料化技術の普及に向けた重要な一歩です。アイスランドのジョージ・オラー工場は、今日では他に類を見ない施設かもしれませんが、その状態は長くは続かないかもしれません。

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