サステナビリティ
循環排出 – 二酸化炭素からメタンを生成する
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新しいプロセスは、科学者が二酸化炭素からメタンを作り出すことを可能にし、市場を革命的に変える可能性があり、製造業者が閉ループの炭素システムを構築できるようになります。このプロセスは電気化学と高度な数学モデルを使用して、捕捉されたCO2を直接有用なメタンに変換します。以下が知っておくべきポイントです。
二酸化炭素は有害な温室効果ガスで、地球温暖化やその他の環境問題の主な原因の一つです。科学者たちはCO2の環境への影響に対抗するために多くの方法を考案してきました。排出削減、クリーンエネルギーの推進、さらには炭素税の導入など、目的は常にCO2の有害な影響を減少させることにあります。
炭素捕捉システム
過去5年間で炭素捕捉の概念はますます人気になっています。これらのシステムは大気中のCO2を除去し、貯蔵します。エンジニアがこの課題を達成する方法は多数あります。ほとんどは化学反応を利用してCO2を他のガスから分離し、価値のある他の化学物質に変換します。
これらの概念は成功を収めていますが、まだ初期段階にあり、多くは高価でスケールアップが困難です。この技術が真にインパクトを持つためには、産業規模に拡大し、コミュニティに最適な結果を提供できるようになる必要があります。
多段階プロセス
現在主流の炭素捕捉方式の大きな課題の一つは、複数のステップが必要になることです。各ステップは時間がかかり、非常に特定のプロセスを要します。ほとんどの場合、最初のステップはCO2の捕捉と収集です。そこから各システムは変換を完了するためのプロセスを実行します。各化学反応は時間、複雑性、そして全体的なコストを増加させます。
有害な化学物質
現在市場で最も一般的な炭素捕捉オプションの多くは化学反応に依存しています。これらのシステムは有害な副産物を生み出し、利益をやや相殺します。有害な化学物質は特定の方法で保管、輸送、廃棄する必要があり、捕捉された炭素1ポンドあたりの総コストを増大させます。
循環排出研究
最近、Journal of the American Chemical Societyに掲載された研究 「アミンによる二酸化炭素捕捉と単一原子ニッケル触媒によるメタンへの変換」1 は、エネルギー要件を削減し、自己給電が可能な新しい手法を検討しています。この研究は、CO2を安全にメタンへ変換する方法を説明しています。
出典 – Journal of the American Chemical Society
この開発は重要なマイルストーンです。二酸化炭素はメタン燃焼の主な副産物の一つであり、科学者たちは長らく炭素の閉ループを実現しようとしてきました。この用語は、生成された副産物を活用して運転を継続できるシステムを指します。具体的には、論文はカルバミン酸塩の変換をメタンへ成功させた方法を詳細に述べています。
論文では、CO2はアミン洗浄液を用いて捕捉されました。その後、カルバミン酸塩はニッケルベースの触媒に通され、ニッケル原子が高度な数学モデルに基づく特定の配列で配置されていました。
循環排出テスト
変換が完了したかをテストするため、エンジニアはX線光電子分光法（XPS）や電子顕微鏡（EM）などの高度な研究装置を使用しました。これらの装置は、変換が成功裏に完了し、CO2がメタンに変換されたことを示しました。
エンジニアはアプローチの一環として密度汎関数理論（DFT）計算を活用しました。これらのモデルにより、最適な電子配置と分配をマッピングして予測精度を向上させました。さらに、計算水素電極（CHE）モデルを統合し、反応自由エネルギーを算出しました。このモデルは、各反応に関与する正確なプロトン-電子移動ステップを決定する上でも重要な役割を果たしました。
循環排出結果
結果は、金（Au）上に分散した単一原子ニッケル（Ni）が主生成物としてCH4を生成したことを示しました。チームはCO2をメタンに変換し、プロセスの各ステップを追跡することに成功したことが分かります。現在の目標は、効率を向上させ、各閉ループのエネルギー産出を最大化することです。
循環排出の利点
この研究は市場にいくつかの利点をもたらします。まず、新しい手法はカルバミン酸塩の捕捉と有用な製品であるメタンへの変換を効率化します。このプロセスは高速で、有害または無価値な副産物を生成しません。さらに、大量の電力を必要としません。
低エネルギー
研究者によれば、この新手法は炭素捕捉と変換を求める者に対して、可能な限り最低のエネルギー要件を提供します。電気化学反応は効率的で、代替手段よりもコストが低く、現場で実施可能です。
単一ステッププロセス
この新しい炭素捕捉・変換手法のもう一つの利点は、すべてのステップを一つのプロセスに統合することです。炭素は一段階で捕捉され、変換されます。このアプローチは複雑性を低減し、安定性を向上させ、はるかに高い透明性を提供します。
研究者
Tomaz Neves-Garcia がオハイオ州立大学で実施した研究を主導しました。さらに、Yale大学の Quansong Zhu、Robert Baker、Liane M. Rossi、Mahmudul Hasan、Robert E. Warburton、Jing Li、Hailiang Wang が共同著者として掲載されています。現在、チームはこのプロセスを産業部門に提供できるようスケールアップを目指しています。
循環排出研究から恩恵を受ける可能性のある企業
この研究をビジネスモデルに統合すれば、複数の企業は収益性を向上させることができます。これらの企業はすでに炭素捕捉または天然ガスのエコシステムで活動しており、市場に貢献する独自製品の開発に多大なエネルギーと努力を注いできました。
Air Products and Chemicals, Inc. (APD)
Air Products and Chemicals Inc (APD ) は、1940年にミシガン州デトロイトで起業家 Leonard Parker Pool によって設立されました。当時、同社は第二次世界大戦中に使用される小型発電機の製造に注力していました。戦争終了後、同社は製品ラインの拡大に取り組みました。
過去80年間で、Air Products and Chemicals Inc. は世界的に認知されたガス供給企業となりました。同社は米国および国際市場で活発な歴史を持ち、サービスと大規模エンタープライズ向け顧客に注力することで、巨額のリターンを確保し事業を拡大してきました。
APD 価格チャート
Air Products and Chemicals Inc. は、メタンガスを求める製造業者にとって最も人気のある選択肢の一つになるまでに数多くの賞賛を受けてきました。2008年には、ダウ・ジョーンズ・サステナビリティ・ノース・アメリカ指数において上位銘柄として掲載されました。
現在、APD はプロセスの進歩、スマートな事業管理、メタン使用の増加など複数の要因により、年初来の強い上昇を示しています。もし APD がこの技術をビジネスモデルに統合すれば、製造コストを大幅に削減できるでしょう。現在、APD の時価総額は 73.961 億ドルで、今年はプラスの成長を示しています。
Delta CleanTech Inc. (OTC)
カナダ拠点の化学インパクト低減企業 Delta CleanTech Inc. は、既存の炭素捕捉技術を改善することを目指して市場に参入しました。同社は独自の機能とサービスによりすぐに注目を集めました。企業は Delta CleanTech の専門知識を活用して CO2 およびその他の有害排出物を削減できます。
同社は現在、いくつかのインパクトのある製品を提供しています。例えば、Delta Reclaimer は企業が溶剤を浄化できるようにします。また、現在提供中の MethanatorRX はメタンを安全に無害な生成物に分解できます。さらに、CarbonRX サービスにより、企業は炭素クレジットの利用を最大化できます。
知っておくべきその他の炭素捕捉システム
幸いなことに、循環排出研究を行ったオハイオ州立大学の研究者だけが環境保護に取り組んでいるわけではありません。以下に、今後 CO2 排出削減に大きく貢献する可能性のある興味深い手法をいくつか紹介します。
電気化学リアクター
RICE大学が率いるエンジニアチームは、世界初の常温直接空気捕捉装置を発表しました。このリアクターは副産物を残さずに空気中の炭素を直接捕捉できます。OSUチームと同様に、彼らの電気化学プロセスはナトリウムやカリウム水酸化物などのアミン系吸着剤を不要にします。
興味深いことに、このプロセスの副産物は水素であることが判明しました。水素は同様のプロセスを駆動できる非常に有用な化学物質です。さらに、熱と追加の化学物質を排除することで、このアプローチの持続可能性が向上し、普遍的に適用可能となります。
将来
炭素捕捉技術の将来は明るいです。これらのシステムは汚染対策の注目を集めています。チームの独自アプローチと CO2 からメタンを生成する能力は多方面で革命的です。まず、閉ループシステムの利点と欠点を科学者がより深く理解し、性能向上のために改善すべき領域を明らかにします。
循環排出の結論
この研究を行った OSU チームに敬意を表さざるを得ません。科学者は、すべての人に利益をもたらす可能性のある炭素ループの閉鎖を長らく夢見てきました。現在、汚染物質がエネルギーに再利用され、排出サイクルが始まります。そのため、CO2 捕捉への関心が高まり、熱還元政策やキャンペーンが増えることが予想されます。
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研究参照:
1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). アミンによる二酸化炭素捕捉と単一原子ニッケル触媒によるメタンへの変換. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744
