二酸化炭素の電気分解

二酸化炭素の電気分解

二酸化炭素の電気分解は、電気を利用して二酸化炭素（CO2）を還元された化合物と酸素へと分解するプロセスです。この技術により、二酸化炭素を資源として再利用する可能性が広がります。具体的には、ギ酸（HCOOH）、一酸化炭素（CO）、メタン（CH4）、エチレン（C2H4）、及びエタノール（C2H5OH）などが生成されます。また、メタノールやプロパノール、1-ブタノールも少量ですが生産されます。

現在、この技術はエネルギー効率が約40%と低いため実用化が進んでいません。そのため、効率を改善するための電極触媒の研究や開発が進められています。

分解プロセスの種類

人工光合成を利用した電気分解

一次のプロセスは、人工光合成技術を用いています。この方法では、二酸化炭素と水が光触媒によって分解され、生成された水素と混合して電気分解を行います。生成物としては主に一酸化炭素（CO）が取り出されますが、問題点としては水に溶ける二酸化炭素の量が非常に少ないため、効率的に分解することが難しいです。この課題を解決する手段として、固体高分子型電解セルを使用する方法が提案されています。この方法では、より多くの一酸化炭素を生成可能で、ファラデー効率が93%に達します。

二酸化炭素水溶液の電気分解

二酸化炭素を水に溶かした溶液（炭酸水）を電気分解すると、まず水素が発生してしまうため、効率的な還元が難しいです。この問題を解決するために、インジウムや鉛、水銀、スズなどの材料を電極に用いることで、主にギ酸が生成されることが確認されています。

銅を電極として使用

銅を電極として用いた際には、電圧が-1.15ボルトを下回るとメタンやエチレンといった炭化水素が生成されます。具体的に言えば、単体の銅を使用した場合はメタンが生成され、酸化銅（II）の場合はエチレンやエタノールといった複数の炭素を持つ化合物が合成されることが知られています。

電極触媒の役割

電気分解によって生まれる化合物の種類は電極触媒によって変化します。たとえば、一酸化炭素を生成するためには金や銀、亜鉛などが適しており、逆に水素のみを生成するもの（鉄や白金、ニッケル等）は二酸化炭素の電気分解には向いていません。ギ酸や炭化水素を生成する際には、特に銅が注目されています。

課題と展望

現状、二酸化炭素の電気分解には幾つかの課題があります。まず、過電圧の大きさが挙げられ、これを解決するためには電極触媒の改良が必要です。また、電流効率と選択性も低く、高価値のC2化合物を選択的に合成することで経済性を向上させることが求められます。加えて反応速度が遅いことも課題であり、これは二酸化炭素の溶解度が十分でないためです。これに対処するためにはガス拡散電極や高圧での使用が考えられています。

さらに、SOEC（固体酸化物電解セル）技術を用いたメタネーションも注目されており、このプロセスでは二酸化炭素と水を同時に供給し、電気分解によって一酸化炭素と水素を同時に生成することが可能です。この方法では、反応が吸熱反応となり、サバティエ反応の発熱を利用することで80〜90%の効率でメタンを合成できる可能性があるとされています。

二酸化炭素の電気分解技術は、持続可能な社会を実現する上で重要な役割を果たす可能性があります。研究と技術革新が進む中で、この技術が将来のエネルギー資源に貢献し得ることを期待しています。

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