イェール大学の科学者たちは、プラズマと電力を組み合わせたシステムを開発し、二酸化炭素 (CO2) をメタノールやブタンなどの価値ある化学品に変換することに成功しました。この研究は、イェール大学の化学および環境工学の助教授であるリー・ウィンター博士が主導しています。ウィンター博士とそのチームは、プラズマと電気触媒を組み合わせることを試みました。プラズマは通常、物質の第四の状態と呼ばれ、固体、液体、気体に続くものです。これは高エネルギーのガスであり、電子が原子から剥がされて帯電した粒子を形成しています。ウィンター博士は、この方法でCO2を燃料、医薬品、溶剤、その他の化石燃料由来の化学品に変換できると述べています。
彼女は、「私たちがこの方法で生成する多炭素製品は、多くの化学産業にとって非常に有用です。」と付け加えました。また、持続可能な航空燃料の前駆化学品を生産することも可能です。
イェール大学の研究が示すプラズマと電気触媒の結合の可能性
CO2の分解は、CO2が非常に豊富であるにもかかわらず、価値ある製品の生産には広く利用されていません。これは、CO2が非常に安定した惰性分子であり、有用な物質に変換するには大量のエネルギーが必要だからです。電気触媒は有望な解決策です。これは、電力と触媒を利用して化学反応を駆動し、CO2を他の化合物に変換します。しかし、単純な電気触媒は通常、相対的に限られた単純な炭素製品しか生成しません。そこで、イェールのチームは、電気触媒とプラズマを組み合わせることを考えました。プラズマは高エネルギー電子を含んでおり、これらの電子はCO2分子を励起し、触媒に到達する前にその結合を弱めます。
触媒は、その後、これらの活性化された種を利用して異なる製品を形成できます。ウィンター博士は、プラズマが電気触媒が単独ではアクセスできない化学経路を開くと指摘しています。
しかし、これらのプラズマ電気化学プロセスは通常、水の界面に依存しており、これがその効率を制限する可能性があります。プラズマはCO2ガスを活性化できますが、水は最も反応性の高いプラズマ種が触媒に到達する前にそれを消 extinguishし、中和する可能性があります。ウィンター博士は、「プラズマを触媒と効果的に結合させる方法を特定することは、プラズマの効果を実際に見るための挑戦でした。これらのプラズマが励起した種を触媒反応に参加させることが常に課題でした。」と付け加えました。
この制限を克服するために、科学者たちは気体、液体、固体成分を組み合わせた三相界面を提案しました。これにより、プラズマが水と直接相互作用するのを防ぎます。このシステムは、ノンスティック鍋と同じ種類の材料で作られた膜である気体拡散電極に依存しています。これは、電気触媒として薄い銅の層で部分的に覆われています。その孔は十分に大きく、プラズマ粒子が触媒層を通過し、水中のプロトンと出会い、化学反応を促進します。科学者たちによると、この方法は価値あるアルコールや3、4炭素原子の生成において、これまでで最高の収率を達成しています。
これらの製品は、液体燃料、医薬品、その他の価値ある製品に利用できます。チームは次に、触媒を最適化し、他の材料を実験する予定です。
このシステムは、室温および常圧で動作するため、商業化が容易になる可能性があります。ウィンター博士はプレスリリースで、「これは即座に使用できるプロセスです。電力の可用性に応じて、いつでもオンまたはオフにできます。また、間欠的な再生可能エネルギーと直接連携して運用できるため、既存の工場を改造することが可能です。そうすれば、全く新しい工場を建設する必要はありません。」とまとめました。この研究は『Nature Catalysis』誌に発表されました。