「多孔質水」電解質を用いた高純度一酸化炭素の効率的な電気合成

ある研究グループが、高純度一酸化炭素を抽出する新しい方法を開発した。

高純度一酸化炭素（CO）は化学工業における重要な原料であり、ホスゲンや金属カルボニル化合物の製造に広く使用されています。現在、CO の製造は依然として主に化石燃料に依存しており、エネルギー集約型のガス精製工程を伴います。電気触媒による CO₂ 還元 (CO₂RR) は、グリーンな CO 合成のための理想的な戦略と考えられています。しかし、実際には、電解生成物には未反応の CO₂ や不純物が大量に含まれており、その後の分離コストが高くなります。そのため、低 CO₂ 濃度での高純度 CO の直接合成は、CO₂ 電気還元分野における大きな課題となっています。本研究では、「多孔質水」電解質に基づく新しい戦略を提案し、低 CO₂ 濃度環境 (15% CO₂) で高純度 CO (97.0 wt%) の効率的かつ安定的な合成を実現し、CO₂ の資源利用に関する新たな知見を提供します。

研究概要

本研究では、多孔質水をベースとした新規電解質（多孔質電解質、PE）を開発した。分散したゼオライトナノ結晶（ゼオライト-NC）は安定した微細多孔質環境を提供し、液相におけるCO₂の効率的な吸着と濃縮を可能にする。電場の作用下で、CO₂は界面濃度勾配を介して自発的に放出され、Ni-N/C電極触媒上で効率的にCOに変換される。この戦略により、従来の多段階CO₂捕捉・再生・電解プロセスが不要となり、CO₂還元反応（CO₂RR）の生成物純度が大幅に向上する。電流密度150 mA cm⁻²において、CO純度は90.0 wt%以上を維持しながら、エネルギー消費量とコストを大幅に削減する。この方法は、高純度CO₂の電気合成のための新規かつ効率的な経路を提供する。

研究ハイライト

1. 「多孔質水」はCO₂吸着を促進し、局所的な濃度を高める
ゼオライトナノ結晶は恒久的な細孔を提供し、液相中でCO₂が物理的に吸着され、電場の作用によって自発的に脱着されることを可能にするため、界面のCO₂濃度が増加する。

2. 高純度CO電気合成の実現

15% CO₂雰囲気下では、この手法により97.0重量%の高純度CO₂を直接合成でき、分離の問題を回避できる。従来のCO₂還元反応における未反応のCO₂によって引き起こされる。

3. 低エネルギー消費と高安定性

従来のCO₂再生分離戦略と比較して、この方法はエネルギー消費を49.3%削減し、100 mA cm⁻² の電流密度で 20 時間以上安定して動作することができ、優れた長期安定性を示しています。

4．界面電場は電子輸送を促進し、反応速度を加速する

K⁺とSi-OH間の表面イオン交換相互作用により界面電場が強化され、電子の移動が加速される。伝達によりCO₂還元反応の固有活性が向上する。