「空気中からCO2だけを取り除く膜」が登場! 地上の”温室効果ガスを捕獲できる可能性”あり

多孔質の膜。ハチの巣状になっており、通気性がある
多孔質の膜。ハチの巣状になっており、通気性がある / Credit:felice frankel
reference: phys

地球温暖化などの観点から、温室効果ガスの削減・コントロールは全世界が考慮すべき大きな課題点となってきました。

この点に関して、アメリカ・マサチューセッツ工科大学化学工学科のT・アラン・ハットン氏ら研究チームは10月16日、科学誌『Science Advances』にて、CO2を選択的に取り除く膜を作成したと発表。

彼らが開発した特殊な膜は、排気ガスや空気中からCO2のみを集めて取り除くことができます。これはつまりCO2排出のコントロールが可能になったことを意味するのです。

ガスゲーティングメカニズムと膜の構造

(左)膜の構造(右)表面を金属膜が覆った状態
(左)膜の構造(右)表面を金属膜が覆った状態 / Credit:T. Alan Hatton

新しく作られた膜は、ハチの巣状の六角構造になっています。1つ1つの穴が通気口となっており、普段は空気などのガスが自由に行き来できます。

そしてこのハチの巣構造の表面は金属の膜(ガスゲート)で覆うことが可能。つまり、金属膜の有無で通気を制御できるのです。この仕組みは研究チームによって「ガスゲーティングメカニズム」と呼ばれています。

さらにこのガスゲートの開閉は、電圧の極性の切り替えによって簡単に行なえるとのこと。

つまり、電気エネルギーで簡単に空気の流れをコントロールできるのです

ただしここまでの状態だと、CO2を制御していることにはなりません。

そのため研究チームは、2つのガスゲート膜の間に酸化還元反応を活性化させるカーボン吸着材を入れることにしました。

これにより、流入してきたガスから二酸化炭素のみを集めることができるのです。

空気中からCO2だけを取り除く

ガスゲーティングメカニズムによって、空気中や排気ガスからCO2のみを集める過程を簡単に紹介しましょう。

最初、2つのガスゲートは片方だけが開いた状態です。これにより片方からガス(空気、排気ガスなど)が流入してきます。ちなみにこのガスに含まれるCO2の割合は大きくありません。

CO2を収集するメカニズム
CO2を収集するメカニズム / Credit:T. Alan Hatton

次に、内部にある吸着材の働きによってCO2のみが集められ、容量限界に達するまでCO2を吸収し続けます。

その後、電流の極性(+極と−極)が切り替わることで、先ほどまで開いていたガスゲートが閉じ、もう片方の閉まっていたガスゲートが開きます。

このゲートチェンジにより排出が可能になりました。吸収して集まった濃度100%のCO2を放出できるのです。

ガスゲーティングメカニズムのメリット

走査電子顕微鏡による膜画像
走査電子顕微鏡による膜画像 / Credit:T. Alan Hatton

ちなみに、このガスゲーティングメカニズムは従来のメカニズムでは難しかった連続稼働が可能です。

仕組みを見ると分かるように濃度100%のCO2を排出したあと、そのまま低濃度のCO2の吸収を行うことができます。これにより切り替えによる稼働停止が生じません。いつでも片方のセクションがガスを吸収する役目を果たし、もう片方がガスを放出する役目を果たせるのです。

そしてこの連続性は、電流の極性により膜中を移動できる金属膜ガスゲートによってのみ実現可能です。

加えて、この金属膜は他の素材と比べてガスバリアとしての高い効果を発揮し、安価で豊富に存在している亜鉛が材料になっています。

さらに電気を用いた金属膜の形成法は、膜を維持するためのエネルギーが必要ないというメリットもあります。膜を切り替える時のみエネルギーが必要なのです。

さて、今回開発されたガスゲーティングメカニズムは、排気ガスや空気からCO2のみを容易に分離させることができるので、様々な技術への応用が可能だと思われます。

将来、この膜のメカニズムを利用したCO2コントロールが環境問題の改善に役立つかもしれませんね。

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