為實現將溫室氣體排放實質淨零的碳中和目標，各項研發目前正在持續推進之中。日本橫濱國立大學研究生院工學研究院的本倉健教授正在嘗試利用太陽能電池板中的矽，把從火力電廠排放的二氧化碳（CO₂）轉化為有用物質的「升級再利用」，以實現資源循環型社會。本倉教授的設想可同時解決二氧化碳排放與不久的將來便會大量出現的太陽能電池板廢棄兩大問題。
本倉 健
橫濱國立大學 研究生院工學研究院 教授
2023年起擔任ALCA-Next研究負責人
即將到來的「大量廢棄時代」
聚焦還原性強的矽材料
作為全球變暖對策之一而普及的太陽能發電，不久的將來達到使用壽命的太陽能電池板如何回收再利用問題快速呈現在人們面前。太陽能電池板的使用壽命約為20～30年左右，預計到2030年代後期，因電池板更新而需要的拆除處理將全面展開。目前，雖已有技術可從廢舊電池板中分離回收玻璃、鋁邊框、金屬等部件，但主要成分矽的回收方法尚未確立，現狀基本是被直接廢棄（圖1）。
圖1 矽樣品。實際從太陽能電池板中回收得到的矽材料形狀各異，既有肉眼可見的雜質，也有原子尺度的微量雜質。
另一方面，為實現碳中和，回收CO₂並將其資源化的技術正受到關注。其中一項舉措便是將回收的CO₂轉化為有用資源的「CO₂捕集、利用與封存（Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage: CCUS）」做法。例如，有研究將CO₂與氫氣反應轉化為一氧化碳、甲醇等有用物質，但CO₂是碳原子與氧原子緊密結合的高度穩定分子，反應性較低，其轉化需要大量能量的問題有待解決。
作為解決對策，橫濱國立大學的本倉健教授將目光投向了矽（Si）。從二氧化矽（SiO₂）中精煉出來的太陽能電池板用矽，生產過程投入大量的能量，處於高能狀態，因此有望發揮超越氫氣的還原劑功能。研究團隊正利用這一特性，開發以更低能耗實現CO₂轉化反應的技術。
另外，為了高效推進上述反應，能夠激發矽材料特性的觸媒設計也至關重要。因為觸媒會2030年代後期反應路徑和生成物。本倉教授的目標是，在降低能耗的同時，將CO₂轉化為高附加值化學品，實現「升級再利用」（圖2）。
圖2 本倉教授提出的資源循環過程。利用廢棄矽和氟化物觸媒將CO₂轉化為甲酸或甲醇，有助於回收矽製造時投入的能量，並減少CO₂排放。
發現觸媒並探討作用機制
同時探索副產物的應用
本倉教授於2022年以四丁基氟化銨（TBAF）為觸媒，成功從CO₂和高純度矽粉末生成了甲酸和甲醇。甲酸可用於防腐劑和清潔劑，甲醇可用作塑膠原料和燃料。
研究團隊還嘗試了利用實際太陽能電池板的矽晶圓粉碎後得到的粉末進行實驗。結果發現，同樣以TBAF為觸媒，在充滿CO₂的容器中將粉末與水混合並在100℃下加熱，可生成甲酸。研究團隊使用了含有碳同位素¹³C的CO₂進行實驗，確認生成的甲酸中含有¹³C，從而證實這些碳原子來源於CO₂。
以往已有多項研究報告過，可利用矽與二氧化碳反應生成一氧化碳、甲醇。但此類研究均採用自行製備的矽奈米顆粒，且需使用大量氟化氫對矽表面進行處理，不僅需要嚴苛的安全管控，技術上也存在難以落地產業化應用的弊端。與之相對，本倉教授的方法優勢在於，僅需使用源自太陽能電池板的矽以及少量TBAF即可推進反應進行。
那麼，這一催化反應是如何發生的呢？研究團隊回收了反應後殘留的固體，進行了X射線光電子能譜（XPS）和X射線繞射（XRD）測定。分析結果發現，投入的矽被氧化，固體表面形成了微量的矽-氟鍵（Si-F鍵）。
基於此，本倉教授等設想的化學反應機制如下（圖3）：首先，TBAF中含有的氟離子與矽發生作用，切斷表面的矽表面的矽–矽鍵。隨後與水發生反應，在矽表面形成矽氫鍵（Si-H鍵）以及矽氟鍵（Si-F鍵）。其中，矽氫鍵還原二氧化碳生成甲酸，同時矽氟鍵與氫氧離子發生反應，氟離子作為觸媒被重新釋放出來。
圖3 本倉教授等設想的由CO₂與矽反應生成甲酸的反應機構。作為觸媒的TBAF中的離子（F⁻）破壞矽表面的矽–矽鍵，促進Si-H鍵形成，從而CO₂被還原生成甲酸。
能夠完成上述分析，得益於本倉教授長期從事催化研究的優勢。觸媒大致分為與原料一同溶於溶劑的均相觸媒，以及不溶於溶劑、以固體形式發揮功能的非均相觸媒兩類。過往CO₂與有機矽化合物反應的知識多來自於均相催化領域，而本次對矽表面的分析則運用了非均相觸媒技術。本倉教授表示：「正是因為研究室同時具備均相催化與非均相催化兩大研究角度，才得以取得此次的研究成果」。
另一方面，該反應也存在尚未闡明之處。理論上，催化反應應當只發生在矽表面，但實際上，隨著反應的進行，矽粉末會轉變為內部具有微中孔道的多孔二氧化矽。本倉教授列舉了今後的課題：「必須查明為何反應會深入到內部。同時，目前我們正在研究能否將這些多孔二氧化矽用作吸附劑或其他觸媒。」
驗證拆解現場與實驗室的差異
確認甲酸生成率達70%以上
本倉教授接下來挑戰的是，驗證使用從廢棄太陽能電池板回收的矽以及實際來自於廢氣所含的CO₂能否合成出甲酸。首先，研究人員準備了多個從太陽能電池板分離出的矽樣品，研究是否能由CO₂轉化為甲酸。結果顯示，有部部分煤樣品完全未能生成甲酸。為調查原因，研究人員對樣品開展X射線光電子能譜（XPS）分析，最終查明這些反應活性較低的樣品，其表面存在鋁（Al）雜質。
於是，研究人員使用鹽酸（HCl）去除鋁雜質後，所有矽樣品均能生成甲酸（圖4）。本倉教授談及實驗室實驗與現場實際情況的差異時表示：「從太陽能電池板分離矽的方法有多種，分離得到的矽材料形態也各不相同。這讓我深切感受到，實地考察太陽能電池板拆解工序和現場情況，並用真實物料開展驗證工作十分必要。」
圖4 鹽酸處理前（藍色圓點）與處理後（橙色方塊）的甲酸生成量。Si-1、Si-2、Si-3、Si-4為4種廢棄矽樣品。表面鋁含量高的Si-2和Si-3經鹽酸處理後，甲酸生成量實現了提升。
實驗中使用的廢氣，得到了合作研究方電源開發株式會社（J-POWER）磯子火力電廠（橫濱市）的協助（圖5）。本倉教授笑著回憶當時的情景表示：「我與學生一同登上數十米高的煙囪收集廢氣。站在作業點往下看時，因高度太高腿都軟了，現在想起來還挺難忘的」。
圖5 利用廢棄矽與工業廢氣開展實驗得出的結果。無論是將廢氣收集至儲氣罐使用，還是在現場直接通入反應器，均證實能夠生成甲酸。
將收集到儲氣罐中的廢氣加壓至9個大氣壓力，使其與廢棄矽反應，結果確認生成了甲酸。此外，將火力電廠的廢氣直接通入反應器時，也獲得了甲酸。無論哪種情況，CO₂轉化為甲酸的比例均超過70%，可以說這是接近實用化的成果。
兼顧社會需求與環境友好
面向社會實用化的課題與展望
關於實用化，本倉教授表示從技術是否符合社會需求的角度進行驗證至關重要。其中經濟性是一個重要要素。目前反應效率、生成的甲酸進一步分離純化等環節仍有優化的餘地，探索兼顧性能與成本的高性能觸媒是今後的課題。
此外，作為另一個重要的視點，關於CO₂排放收支，不僅需要評估從CO₂和矽生成甲酸的過程，還需要評估從原料採購到製造、流通、使用、廢棄、回收的全過程的環境負荷。例如，從廢棄太陽能電池板回收矽或運輸矽時也會排放CO₂，必須將這些環節也考慮在內。關於定量評估全過程環境負荷的「生命週期評估（Life Cycle Assessment: LCA）」，本倉教授表示希望與LCA領域的專家共同推進驗證。本倉教授還表示：「今後需要實現反應過程的規模化，僅靠大學實驗室的驗證還存在侷限。我們希望與廢棄物處理企業、提供廢棄矽的企業等眾多企業共同推進合作。」這類舉措不僅限於從CO₂生成甲酸或甲醇的技術。以往，無機（金屬）資源的循環和碳資源的循環，都是在各研究人員的專業領域內封閉進行的。嘗試使作為無機資源的矽與作為碳資源的CO₂發生反應，將開闢資源循環的新途徑，由此也可能啟發除CO₂以外，各種碳資源與廢棄矽之間的新反應。
本倉教授表示研究團隊還在致力於開發升級回收反應，例如利用廢棄矽還原生物質等多種碳資源，將其轉化為基礎化工原料與燃料。通過結合無機資源與碳資源的循環利用，向著產生新價值的社會邁進，本倉教授的挑戰還在繼續。
（TEXT：島田祥輔、PHOTO：島本繪梨佳）
原文：JSTnews 2026年5月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
