高温高圧水環境の活用によりCO2の電気分解効率を向上：研究開発の最前線

東北大学、産業技術総合研究所、宇都宮大学の研究グループは、水熱反応場と言われる高温高圧水環境を利用して、電気化学的CO2還元反応プロセスを高効率化できることを実証した。

[MONOist]

　産業技術総合研究所は2024年11月8日、高温高圧水環境を利用して、電気化学的CO₂還元反応（CO2RR）プロセスを高効率化できることを実証したと発表した。東北大学、宇都宮大学との共同研究による成果だ。

　同研究グループは、水熱反応場と言われる高温高圧水環境を活用し、150℃の水熱条件下で水中のCO₂の拡散係数が数倍になることなどから、電気化学反応が促進される（電流密度が大きくなる）ことを示した。その結果、電流密度の目標値を達成するために必要となる電圧が抑えられ、エネルギー効率が向上することを確認できた。

（a）各温度における電流電圧曲線（陽極プラチナ板、陰極金板、100気圧、CO2飽和KHCO3溶液）、（b）100mA/cm2までの条件における各温度の生成物。温度上昇に伴って電流密度が増大し、低電圧でも同等の反応を進行できる［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　150℃という高温条件でもCO₂加圧により100気圧の高圧環境にすることで、高温によってCO₂の溶解度が低下する課題を解決した。また、水が液体状態を維持しつつ、さらに高いCO₂溶解度のある高温高圧水環境を使用し、CO2RRプロセスを高効率化している。

　高温環境にするためにはエネルギーが必要だが、工場からの未利用低温廃熱を活用すれば余剰なエネルギー消費を抑制できる。プロセスシミュレーターで技術アセスメントを行った結果、既存のメタノール製造システムと比べて、今回のシステムは産業廃熱や再生可能エネルギーを使うことで、メタノール生成におけるCO₂排出量が負になるカーボンネガティブの可能性が示された。この新たな炭素、熱循環スキームは、炭素完全循環社会に向けた化学産業の変革につながる可能性がある。

水熱電気化学反応場を利用した炭素熱循環スキーム［クリックで拡大］ 出所：産業技術総合研究所

　さらに、研究で利用した水熱反応場は、高濃度の有機物溶解が可能な環境でもある。今後、CO₂のみならず、廃プラスチックやバイオマスの電気化学的変換、資源化を高い効率で運用できる可能性を示唆する。

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