遷移金属不使用の触媒で大気中の二酸化炭素を資源化する技術、産総研などが開発

具体的には、二元機能触媒としてナトリウム種をアルミナ担体(γ-Al₂O₃)に分散させたNa/Al₂O₃を調製。ナトリウム種の前駆体には炭酸ナトリウム(Na₂CO₃)が用いられたという。この二元機能触媒は遷移金属を用いていないため、触媒の原料費の低減や製造工程の簡素化とそれによる低コスト化が期待できるとされる。

実験では、この触媒60gを固定層反応器に充填させ、500℃でCO₂の吸収と変換挙動が調べられた。CO₂を窒素(N₂)で希釈し、大気中濃度を摸擬した400ppmの混合ガスが反応器に供給されたところ、触媒上に存在するナトリウム種の炭酸化反応によりCO₂が吸収されるため、実験開始から約4時間まではCO₂はほとんど流出しなかったほか、水素ガスの供給により、COが速やかに放出されることも確認された。これは、触媒に吸収されたCO₂と水素により逆シフト反応が進行したと考えられ、CO濃度の瞬間値は20％超、CO₂供給濃度の500倍以上に達することが確認されたという。

Na/Al₂O₃二元機能触媒を用いたCO₂吸収・変換実験の概要 (出所:産総研Webサイト)

また、吸収CO₂のCOへの変換反応を利用して、合成ガス製造の可能性検討も実施。合成ガスの利用にはCOの濃度だけでなく、未反応の水素とのモル比(H₂/CO比)の制御が重要であることから、組成分析を実施。COと水素の濃度はそれぞれ14.5％、48.1％であったほか、H₂/CO比は3.3であることが確認されたという。さらに、副生するメタンや未反応のまま流出するCO₂はごくわずかであることも確認。残りの約3割はCO₂の希釈や押し出しに用いた窒素ガスが主で、目的外の成分が生成されたわけではないという。

(上)捕集した出口ガスの組成の割合。(下)今回の結果と、これまでに行われた二元機能触媒を用いてCO₂吸収・変換実験を行った研究結果との比較 (出所:産総研Webサイト)

これらの結果は、COの生成量と未反応の水素量を適切に制御することにより、望ましいH₂/CO比の合成ガスを製造できる可能性を示すものであり、今後の研究において、反応器の形式や水素流量などの反応条件を工夫することで、目的のH₂/CO比の合成ガスを連続的に製造できる可能性が示されたと研究チームでは説明してる。

また、CO₂吸収・変換実験の結果、触媒に吸収されたCO₂がどれだけほかの物質に変換されたかを表すCO₂転化率は90％、生成物のうちどれだけCOが得られたかを表すCO選択率は97％と算出されたともしている。

このほか、二元機能触媒の耐久性確認のために、450℃でCO₂吸収(濃度5％)とCOへの変換が交互に繰り返し行われたところ、50サイクル後でもCO₂吸収量およびCO生成量のどちらも安定しており、高い耐久性と長期間の繰り返し利用の可能性が高いことも確認されたともしている。