太陽光と硝酸廃液を組み合わせて世界No.2の化学物質を作る

太陽光と硝酸廃液を組み合わせて世界No.2の化学物質を作る 化学

イリノイ大学シカゴ校のエンジニアは、太陽光を利用した電気化学反応により、廃水を利用して世界第2位の生産量を誇る化学物質であるアンモニアを製造するだけでなく、太陽光から燃料への変換効率を他の類似技術の10倍以上に高めることに成功しました。

この研究成果は、エネルギー供給と環境保護の接点に関する研究のトップジャーナルであるEnergy & Environmental Scienceに掲載されました。

UIC(イリノイ大学シカゴ校)工学部の化学工学助教授であるミーネッシュ・シン氏は、「この技術と私たちの方法は、肥料のオンデマンド合成を可能にする大きな可能性を秘めており、先進国や発展途上国の農業やエネルギー分野、さらには化石燃料による温室効果ガスの削減に向けた取り組みに大きな影響を与える可能性があります。」と述べています。

UICの研究者たちは、液状の溶液を入れた井戸に太陽電池を取り付け、持続可能な電気化学システムを構築している。

UICの研究者たちは、液状の溶液を入れた井戸に太陽電池を取り付け、持続可能な電気化学システムを構築している。充電すると、液剤に含まれる排水中の硝酸塩がアンモニアに変換される。©Meenesh Singh/UIC

アンモニアは、1つの窒素原子と3つの水素原子が結合した物質で、肥料やプラスチック、医薬品などの多くの製造品の主要な化合物です。現在、窒素からアンモニアを製造する方法では、水素と結合するために窒素原子間の強い結合を壊すために、化石燃料を燃やして大量の熱を必要とします。この100年来のプロセスは、気候変動の原因となる世界の温室効果ガス排出量のかなりの部分を占めています。

シン氏らはこれまでに、純粋な窒素ガスを帯電した触媒付きのメッシュスクリーンでろ過し、水溶液中でアンモニアを作るという、環境にやさしい方法を開発してきました。この反応では、スクリーンを帯電させて窒素原子を分解するために、ごくわずかな化石燃料のエネルギーしか使わなかったが、アンモニア(20%)よりも水素ガス(80%)の方が多く生成されました。

今回、研究者らはこのコンセプトを改良し、地下水汚染の代表格である硝酸塩を利用して窒素を供給し、太陽光を利用して反応を電化するという新しい方法を開発しました。このシステムでは、水素ガスの副反応がほぼゼロで、ほぼ100%のアンモニアが生成されます。この反応は、化石燃料を必要とせず、二酸化炭素などの温室効果ガスも発生しません。また、太陽光を利用することで、STF(Solar-to-Fuel Efficiency)は11%と、他の最先端のアンモニア製造システム(STF約1%)と比べて10倍以上の性能を発揮します。

この新しい方法は、コバルト触媒を用いており、研究者らは論文「Solar-Driven Electrochemical Synthesis of Ammonia using Nitrate with 11% Solar-to-Fuel Efficiency at Ambient Conditions」の中で、この触媒と新しいプロセスについて説明しています。

触媒を特定するために、研究者たちはまず計算理論を用いて、どの金属が最も効果的かを予測しました。研究チームは、これらのモデルでコバルトを特定した後、この金属を使って、反応における活性を最適化するためのさまざまな方法を試しました。その結果、コバルトの表面を酸化させて粗くしたものが、ほぼすべての硝酸分子をアンモニアに変換する選択的な反応を起こすのに最適であることがわかりました。

Solar-driven electrochemical synthesis of ammonia using nitrate with 11% solar-to-fuel efficiency

シン氏は、「太陽電池を利用したシステムで機能する、活性、選択性、安定性に優れた触媒が見つかったことは、工業規模での持続的なアンモニア合成が可能であることの強力な証拠です。」と述べています。

この反応自体がカーボンニュートラル1カーボンニュートラル は環境化学の用語の一つ。日本語では炭素中立と言う。何かを生産したり、一連の人為的活動を行った際に、排出される二酸化炭素と吸収される二酸化炭素が同じ量である、という概念。で環境に良いだけでなく、このシステムが産業用に開発されれば、環境に対してほぼネットネガティブな回復効果をもたらすことになります。

「排水中の硝酸塩を利用するということは、地表や地下水からも汚染物質を除去しなければならないということです。特に、経済的に不利な状況にあったり、過剰な硝酸塩にさらされるリスクが最も高い農村部では、このプロセスが産業廃棄物や流出水の補正と窒素サイクルのバランス調整に同時に役立つ可能性があります。」とシン氏は言います。

飲料水による硝酸塩の大量摂取は、がん、甲状腺疾患、早産、低体重児出産などの健康状態と関連しています。

「私たちはこの成果に非常に感激していますが、これで終わりではありません。近い将来、より大規模な実験が可能なプロトタイプが完成することを期待しています。」と語るシン氏は、すでに自治体や廃水処理センターなどの業界関係者と協力して、このシステムをさらに発展させようとしています。

この新しいプロセスは、UICの技術管理部門が特許を申請しています。

この論文の共著者は、UICのニシサン・カニ氏とアディティア・パラジャパティ氏、テキサス工科大学のジョセフ・ゴーティエ氏、ノースウェスタン大学のジェーン・エジントン氏とリンゼイ・サイツ氏、ウォーレン・タウンシップ高校のIsha Bordawekar氏、Worldwide Liquid Sunshineのウィンダムシールド氏とミッチェル・シールド氏、ダウ社のアユッシュ・シン氏です。

Published by University of Illinois at Chicago, Journal:Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/D1EE01879E

 

コメント

タイトルとURLをコピーしました