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2024-05-25 01:43:30
二酸化炭素は の 温室効果ガスは、1990年から2022年の間に地球の大気のエネルギーバランスの変化の78％を単独で引き起こしています。
化石燃料の燃焼によって生じる副産物である二酸化炭素は、自動車の排気ガスや石炭火力発電所から大気中に放出されます。再生可能エネルギー資源の一部でも少量の二酸化炭素が発生しますが、その量は石炭や天然ガスが排出する量に比べればごくわずかです。
この分子の本質は、炭素原子 1 個と酸素原子 2 個が配列しただけのもので、電気化学的二酸化炭素還元 (CO2R) と呼ばれるプロセスによって再編成され、クリーンな燃料や有用な化学物質になります。しかし、このプロセスは損失を伴うことが多く、競合するプロセスによって原子が望ましくない方向に引っ張られ、望ましくない副産物が生成されます。
本日発表された論文では、 自然触媒シカゴ大学プリンツカー分子工学大学院のアマンチュクウ研究室の研究者らは、クリーンなエネルギーループを作り出すことを最終目標に、水分子を操作してCO2Rをより効率的にする方法を概説した。
研究チームは新しい方法により、金または亜鉛を触媒として使用し、弱酸性条件下でほぼ100%の効率でCO2Rを実行することができました。
「太陽光や風力からグリーン電力を得て、その電力を使って二酸化炭素を燃料に戻すことができると想像してください」と、新しい論文の第一著者であるPME博士課程のレジ―・ゴメス氏は述べた。
彼女と競争する
分子を電気化学的に分解することは、ビリヤードのブレイクショットに似ています。以前の配列は消え、ボールはテーブル上に散らばり、新しい組み合わせで止まります。必ずしもプレーヤーが意図した組み合わせとは限りません。
同様に、CO2R を行う研究者は、電気と水を使用して有害な温室効果ガスを分解し、再配置します。これにより、二酸化炭素の炭素原子と酸素原子が、水の水素原子とともにテーブルを横切って飛び回ります。
意図したとおりに機能すれば、原子は燃料や化学物質として使用できる、より望ましい他の分子を形成します。
しかし、原子が散乱すると、2つの水素原子の安定したペアが形成されることが多く、これは水素発生反応（HER）と呼ばれるプロセスです。これにより、エネルギーと水素ガスになる原子は、科学者が作成しようとしていた分子の一部にはならないため、CO2Rの効率は低下します。
たとえ水が少量であっても、CO2R は常に HER と競合します。
バッテリー研究で最も有名なアマンチュクウ研究室は、水性バッテリーからの洞察をこの問題に適用し、有機溶媒で水を制御することで解決策が得られる可能性があるという仮説を立てました。
光り輝くものすべて
CO2R と HER はどちらも、陽子供与体として水に依存しています。研究チームは有機溶媒と酸添加物を使用して水の挙動を調整し、適切な量の陽子を供与して、水素ガスや炭酸塩などの不要な物質ではなく、目的の分子を生成する最適な点を見つけることができました。
「一般化学では、二酸化炭素は水酸化物と反応して炭酸塩を形成すると学びます。これは、価値を高めたい分子を枯渇させるので望ましくありません」と、ノイバウアーファミリー分子工学助教授チブエゼ・アマンチュクウ氏は語った。
CO2R を実行する最も効果的な方法の多くは貴金属に依存しています。
「プラチナ、銀、金は研究目的には素晴らしい触媒です」とゴメス氏は言う。「非常に安定した材料です。しかし、工業用途を考えると、コストがかかりすぎてしまいます。」
この新しい方法では、電解質を改良することで、より安価で豊富な材料を使用して同様の結果を得ることができます。
「現在、室温で電気化学的にこれを実行する最良の方法は、貴金属を使用することです。金と銀は水素発生反応を少し抑制することができます」とアマンチュクウ氏は言う。「私たちの発見により、地球上に豊富に存在する金属である亜鉛を使用できるようになりました。なぜなら、水をコントロールする別の方法ができたからです。」
アメリカ化学会の『Chemical & Engineering News』は最近、アマンチュクウ氏を毎年恒例の「化学を通じて世界をより良い場所にしている若手科学者12人」の一人に選出した。
#水を制御し温室効果ガスを変換する