この「活性炭スポンジ」は空気中の二酸化炭素を直接「つかむ」ことができる

制作：中国科学普及協会

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

気候変動が人間社会や自然環境に与える影響はますます大きくなっています。温室効果ガスの排出を削減し、温室効果を緩和することは世界的なコンセンサスとなっています。政府や科学界はさまざまな解決策を積極的に模索しており、二酸化炭素回収・貯留技術は大きな注目を集めている焦点の一つです。

最近、ケンブリッジ大学の研究チームは、改質活性炭を使用して大気中の二酸化炭素を効率的かつ低コストで捕捉する新しい方法を開発した。この画期的な成果は、深刻化する地球温暖化の問題に対処し、カーボンニュートラルの目標を達成するための新たな可能性をもたらします。

提案されている世界全体の CO2 隔離 (すべての異なる深度は灰色) と達成された CO2 隔離 (すべての異なる深度は青色) の比較。天然ガス処理プラントの遮断・貯蔵達成率は75％を超え、その他の産業プロジェクトの成功率は約60％、発電所の成功率は約10％です。

(画像出典: Wikipedia)

活性炭: 家庭用浄水器の「秘密兵器」

活性炭は、活性炭または活性炭素とも呼ばれ、炭素材料で作られた多孔質物質です。通常、木材、石炭、ココナッツの殻などの炭素を豊富に含む材料を高温かつ無酸素の条件下で炭化することによって作られます。

炭化工程で原料中の非炭素元素が除去され、内部に多数の微細孔が形成されるため、活性炭の比表面積は大きくなり、吸着特性も優れています。

活性炭の多孔質表面

(画像出典: Wikipedia)

活性炭の最も一般的な用途の 1 つは、家庭用の浄水器です。水中の塩素、有機物、重金属イオンなどのさまざまな汚染物質を効果的に除去し、清潔で健康的な飲料水を提供します。活性炭は浄水分野以外にも、空気浄化、食品加工、化学品製造など多くの産業で広く使用されています。

その強力な吸着能力は、独自の多孔質構造から生まれます。活性炭 1 グラムの表面積は 500 ～ 1500 平方メートルに達し、これはテニスコート 2 面分の面積に相当します。この高度に発達した細孔構造により、多数のガス、液体、固体分子を吸着して保持することができます。

活性炭が染料を吸着する模式図（右のカップは吸着前の状態）

(画像出典: Wikipedia)

ケンブリッジ大学の研究チームにインスピレーションを与えたのは、活性炭の優れた吸着特性でした。活性炭を改良して二酸化炭素の選択吸着能力を向上させることができれば、効率的で経済的な炭素回収技術を開発できると彼らは考えています。

そこで研究者たちは、バッテリーを充電するのと同じような方法で活性炭に特定の電界を印加し、活性炭の表面に電荷を蓄え、それによって帯電二酸化炭素分子への吸着力を高めようとした。これが「帯電活性炭スポンジ」技術の核となる原理です。

二酸化炭素を「捕獲」する：気候変動と戦うための「最後の手段」

パリ協定では、地球温暖化の傾向を抑制するため、今世紀中の世界の平均気温上昇を2℃以内に抑え、1.5℃以内に抑えるよう努めるという目標が打ち出されました。これは、人類が今世紀後半までに二酸化炭素排出量を実質ゼロにすること、つまり、排出削減や炭素回収などの対策を通じて二酸化炭素の排出と除去のバランスを達成しなければならないことを意味します。

しかし、化石燃料の使用を減らし、エネルギー効率を改善し、その他の排出削減対策だけで二酸化炭素の排出を抑制することは、到底不十分です。気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、気温上昇を1.5℃に抑える目標を達成するためには、大幅な排出量削減に加え、2050年までに毎年50億～110億トンの二酸化炭素を大気から除去する必要があると推定しています。

現在、植林は炭素除去の最も一般的な方法ですが、その可能性は限られており、このような大規模なニーズを満たすことは困難です。したがって、効率的かつ拡張可能な炭素回収・貯留技術の開発が最優先事項となります。

「帯電活性炭スポンジ」の研究を主導したアレクサンダー・ファウルズ博士は、大気から二酸化炭素を捕獲することは気候変動と戦うための「最後の手段」であるべきだと認めた。結局のところ、この事後修復アプローチは、発生源での排出量削減よりもコストがかかり、効率も低くなります。 「しかし、気候危機の深刻さを考えると、これは私たちが探究しなければならないことだ」とファウルズ博士は強調した。 「現実的に、私たちはできることはすべてやらなければなりません。」

実際、炭素回収・貯留（CCS）技術は、国際社会が気候変動に対処するための重要な選択肢の1つとなっています。世界中の政府や企業は CCS への投資と導入を増やしています。国際エネルギー機関は、2050年までにCCSが世界の排出量削減の約13%に貢献する必要があると予測しています。

しかし、現在の CCS 技術は主に発電所や製鉄所などの大規模な点源を対象としており、分散した移動源や既存の大気中の二酸化炭素を回収するための経済的かつ効率的な手段が不足しています。これがまさに「帯電活性炭スポンジ」の研究の動機です。

地形や環境を利用して火力発電所から排出される二酸化炭素を吸収・固定する方法

(画像出典: Wikipedia)

活性炭を「充電」：よりシンプルで効率的

アミノ官能化多孔質シリカゲル、金属有機構造体などの従来の CO2 捕捉材料は、通常、吸着した CO2 を放出して貯蔵するために 900°C もの高温で再生する必要があります。これは膨大な量のエネルギーを消費するだけでなく、材料特性の急速な劣化につながる可能性もあります。

対照的に、ケンブリッジ大学のチームが開発した「帯電」活性炭スポンジは明らかな利点を示した。研究により、「充電」された活性炭が二酸化炭素を吸着した後、捕捉した二酸化炭素を効果的に放出するには、90～100℃に加熱するだけでよいことが判明した。この温度は従来の材料よりもはるかに低く、産業廃熱や再生可能エネルギー（太陽エネルギー、地熱エネルギーなど）を通じて達成できるため、より環境に優しく、省エネになります。さらに、この加熱プロセスは材料の内部から開始されるため、表面の局所的な過熱が回避され、エネルギー効率がさらに向上します。

では、「充電」によって活性炭の二酸化炭素吸収能力はどのように強化されるのでしょうか?研究者らは、電界をかけると活性炭の表面にさらなる電荷が生じ、極性二酸化炭素分子に対する静電引力が強くなると説明している。同時に、電界によって活性炭の細孔構造も変化し、二酸化炭素分子の吸着のための滞留点が増える可能性があります。これらのメカニズムの相乗効果により、帯電活性炭の CO2 に対する吸着能力と選択性が大幅に向上します。

「充電」プロセス自体は複雑ではないことに注意する必要があります。研究チームは、活性炭を正極、金属リチウムを負極とし、その間に電解質を充填したリチウムイオン電池に似た装置を使用した。外部電圧を印加することにより、リチウムイオンが活性炭の表面に埋め込まれ、表面電荷を形成します。この装置は設計がシンプルで操作も容易であり、低コストで大量生産が実現できると期待されています。

活性炭ネットワークを「充電」するプロセスの概略図

（画像出典：参考1）

課題と展望

「帯電活性炭スポンジ」は二酸化炭素の捕捉に優れた性能を発揮しますが、実際に産業応用するには克服すべき課題がまだいくつか残っています。 1つ目は、吸着能力のさらなる向上です。現在、充填活性炭1グラムあたり最大3～4mmolの二酸化炭素を吸着できますが、これは理論上の最大値からはまだある程度離れています。研究チームは、活性炭の細孔構造や表面の化学特性などを最適化することで、活性炭の吸着性能を向上させています。

2 番目の問題は、材料の長期安定性です。吸着と再生のサイクルを繰り返すと、活性炭の細孔の崩壊や表面電荷の損失などの性能低下につながる可能性があります。複数回使用した後も材料が効率的な吸着を維持できるようにするにはどうすればいいかは、克服しなければならない難しい問題です。研究者らは、表面コーティングやドーピングなどの手段を通じて活性炭の構造と化学的安定性を高めることを計画している。

さらに、技術のスケールアップには、原子炉の設計、システム統合、コスト管理など、多くの課題も伴います。実験室でのサンプル準備を工業生産にスケールアップするには、材料、プロセス、装置などの面での最適化と革新が必要であり、そのためには産業界、学界、研究機関の協調した努力と継続的な投資が必要です。

課題はあるものの、「帯電活性炭スポンジ」技術は依然として有望です。これは、より効率的で環境に優しい炭素回収材料の開発に向けた新たな方向性を示しています。ファウルズ博士は、この戦略は活性炭に限定されず、さまざまな分野でのガス分離と精製のための他の多孔質材料システムにも拡張できると述べました。

カーボンニュートラル目標を達成するための重要な道筋の一つとして、CCS は政府、産業界、学界から高い注目を集めています。 「帯電活性炭スポンジ」の登場は、間違いなくこの分野に新たな活力を吹き込んだ。そのシンプルさ、効率性、経済性により、CCS 技術の開発と普及が促進され、気候変動の課題に対する人類社会の対応に貢献することが期待されます。

参考文献:

1. 帯電吸着剤を使用して空気中の二酸化炭素を捕捉する。 Huaiguang Li, Mary E. Zick, Teedhat Trisukhon, Matteo Signorile, Xinyu Liu, Helen Eastmond, Shivani Sharma, Tristan L. Spreng, Jack Taylor, Jamie W. Gittins, Cavan Farrow, S. Alexandra Lim, Valentina Crocellà, Phillip J. Milner & Alexander C. Forse

2. 科学者は二酸化炭素を吸収するために「炭スポンジ」を充電する。 BBCニュース

3. ケンブリッジの研究者がCO2を捕捉する「電気スポンジ」を発表。ドミニク・エリス

4. 科技日報：空気中の二酸化炭素を直接「捕捉」する方法はあるのでしょうか？