為了實現化學工業的碳中和，業界正積極探索使用非化石資源作為原料的技術。尤其是削減大氣中CO₂濃度，利用可再生能源電力直接將二氧化碳（CO₂）轉化為化學品原料的「電化學 CO₂還原反應（CO₂RR）」工藝，作為根本性削減 CO₂ 排放的技術而受到關注。然而，現階段 CO₂RR 的能量轉換效率尚低，提高其能量效率是實用化進程上的一大課題。
日本東北大學跨學科科學前緣研究所的笘居高明教授等人組成的研究團隊，通過利用高溫高壓狀態下的水環境（水熱反應場），使CO₂RR工藝的高效率化成為可能。通常情況下，電化學反應在高溫環境下更易進行，因此工業水分解反應多在 100℃ 未滿的高溫條件下進行。另一方面，由於氣體伴隨著溫度上升在水中的溶解度會降低，因此對於 CO₂RR 工藝而言，過高的溫度會同時降低 CO₂ 在水中的溶解度和能量轉換效率。研究團隊通過將環境壓力提高到 100 個大氣壓力以上的高壓環境，成功克服了高溫條件下 CO₂溶解度下降的問題。實驗結果證實，在150℃、100個大氣壓力的水熱環境下，通過提高CO₂的溶解度和擴散係數促進了向電極供應的CO₂，大幅改善了CO₂RR工藝的能量轉換效率。
（a） 100 大氣壓力條件下，不同溫度下的電流-電壓曲線。實驗中採用鉑板為陽極、金板為陰極，並使用CO₂飽和碳酸氫鉀溶液。
（b）電流密度達到 100 mA/cm² 時的各溫度條件下，不同生成物的比例。隨著溫度升高，電流密度增大，使得相同的反應可在更低的電壓下進行，從而提升了能量轉換效率。
此外，作為確保高溫環境的能源供應來源，研究團隊著眼於工廠和電廠的未利用低溫廢熱。實驗結果表明，該方法在甲醇等化學品生成過程中具有實現CO₂ 吸收量大於排放量的「碳負排放」的可能性。此次的研究成果通過將化學工程方法引入電化學技術，可為 CO₂高效資源化以及碳完全循環社會的化學產業變革做出貢獻。預計在未來永續發展的循環社會中，利用水熱反應場的電解技術將發揮重要作用。（TEXT：原絵里香）
原文：JSTnews 2025年2月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
