「電子レンジ」で”ビニール袋を宝の山にする”技術が登場! 廃棄プラスチックから水素とカーボンナノチューブを回収できる

1000ワットの電子レンジでプラスチックから水素とカーボンナノチューブをつくりだした
1000ワットの電子レンジでプラスチックから水素とカーボンナノチューブをつくりだした / Credit:Nature catalysis
reference: Nature catalysis

廃プラスチックを宝の山にする方法が開発されました。

10月12日に『Nature catalysis』に掲載された論文によれば、マイクロ波を使うことでプラスチックに含まれる水素の97%を回収する方法がみつかったのだとか。

プラスチックの代表である、ビニール袋に含まれる水素は重量比にして14%とされており、1kgのビニール袋のゴミから理論上、13.58 gの水素を回収することができます

2005年には水素1gで電気自動車を25kmも走らせることに成功しており、13.58 gの水素があれば計算上、340kmぶんの距離を走行可能になります。

しかも、この「廃プラを燃料にして走る車」から排出されるのは二酸化炭素ではなく、非常に純度の高いカーボンナノチューブの塊だというのです。

しかし、研究者たちはいったいどんな仕組みで、プラゴミから水素とナノチューブを抽出したのでしょうか?

マイクロ波でプラスチックを温める方法

ビニール袋の重量の14%が水素。そのためプラスチックは優秀な水素源とも言える
ビニール袋の重量の14%が水素。そのためプラスチックは優秀な水素源とも言える / Credit:depositphotos

イギリス・オックスフォード大学のピーター・エドワーズ氏は、ブラスチックの再利用技術を研究していました。

代表的なプラスチックであるビニール袋は非常に厄介なゴミである一方で、重量比にして14%の水素を含んでいることが知られています。

もしこの水素を簡単に抽出することができれば、廃プラは一夜にして燃料電池を充電する電力源にうまれかわります。

ただ問題は方法でした。

プラスチックから水素を抽出するには、理論上、高い温度が必要とされており工程も複雑です。

そこでエドワーズ氏らは電子レンジの原理を応用することを思いつきました。

電子レンジはマイクロ波を発することで、内部の水分子を振動させて熱を生じさせます。

ただプラスチックは水分子と異なり、マイクロ波ではうまく加熱できません。

タッパに入った食材を電子レンジで温めても、加熱されるのは食材のみで、容器のプラスチックは熱くならない…という事実は誰もが知る常識でしょう。

そこでエドワーズ氏らはある「ひと手間」を加えることにしました。これが、後に大きな成果をもたらすことになるのです。

ナノサイズの金属粒子を加えて水素を抽出する

プラスチックはそのままでは電子レンジで温められない
プラスチックはそのままでは電子レンジで温められない / Credit:オックスフォード大学

エドワーズ氏らが加えたひと手間とは、ナノサイズの酸化鉄粒子と酸化アルミニウム粒子でした。

近年のナノテクノロジーの進歩により、導電性の金属をナノサイズまで砕いていくと、ある大きさ以下では金属としての振る舞いが停止し、マイクロ波の吸収量が10ケタ増加するという性質がわかってきました。

エドワーズ氏らはこれらナノサイズの金属粒子を、砕いたプラスチックの粉末と混ぜることで、粒子を介してプラスチックを温められると考えたのです。

実験を行った結果、予想は的中します。

ナノサイズの金属粒子はマイクロ波を吸収して高温になり、粒子(特に鉄粒子)の表面ではプラスチックが加熱されて水素が発生すると同時に「燃えカス」として炭素の塊が生成されたのです。

また計測により、この新しい方法の水素回収率は非常に優れており、プラスチックに含まれる水素の97%にあたる量を、わずか数秒で回収したことが判明しました。

さらに、より興味深い現象が、燃えカスとなった炭素塊から発見されます。

なんと燃えカスの9割はカーボンナノチューブで構成されていた

プラスチックから電子レンジでつくられたカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真。作られたカーボンナノチューブは複数の炭素層が重なった多層型である。
プラスチックから電子レンジでつくられたカーボンナノチューブの電子顕微鏡写真。作られたカーボンナノチューブは複数の炭素層が重なった多層型である。 / Credit:Nature catalysis

エドワーズ氏らが水素が抜け出て真っ黒になった元プラスチックを分析した結果、この炭素塊(燃えカス)の92%がカーボンナノチューブで構成されていることが判明したのです。

カーボンナノチューブは炭素分子のみでつくられたチューブ状の構造であり、次世代の半導体や燃料電池などへの応用が期待されている素材です。

しかし、なぜプラスチックと金属粒子の混合が、カーボンナノチューブをつくりだしたのでしょうか?

ナノサイズの鉄粒子は未知の触媒現象を起こしていた

プラスチックがカーボンナノチューブになる過程
プラスチックがカーボンナノチューブになる過程 / Credit:Nature catalysis

マイクロ波で加熱された金属粒子が、プラスチックからカーボンナノチューブを作り出す過程は、上の図のようになります。

マイクロ波が金属粒子を加熱すると、熱が粒子からプラスチックに伝わり、プラスチックを構成する炭素と水素の結合(C-H)が破壊され、純粋な炭素と水素が生成されるのです。

また炭素の生成と析出が続くと、炭素は金属粒子(特に鉄粒子)の表面を滑るように移動しながら、円筒状のカーボンナノチューブに結晶化していきました。

この過程が事実ならば、マイクロ波照射によって鉄粒子が加熱された結果、なんらかの分極が鉄粒子に発生し、カーボンナノチューブを連続的に生み出す、未知の触媒プロセスが働いていることを意味します。

廃プラがアルミ缶より「もったいない」と感じる日は近い

未来では「それを捨てるなんてとんでもない!」と、考えられているかもしれない
未来では「それを捨てるなんてとんでもない!」と、考えられているかもしれない / Credit:depositphotows

今回の研究により、廃プラをマイクロ波で処理することで、燃料になる水素と、次世代の材料になるカーボンナノチューブが同時に得られることが明らかになりました。

多くが高温で燃やすか埋めるしかなかった廃プラから燃料とカーボンナノチューブに変換できるという新しい技術は、廃プラを宝の山に変える可能性があります。

また今回の研究は科学的にも非常に興味深い課題を残しました。

ナノサイズまで砕かれた金属粒子の物性は、元となる金属の塊とは異なり、カーボンナノチューブをうみだす触媒作用があることが明らかになったのです。

この触媒作用の詳しい仕組みは現在のところ謎であり、解き明かすことができれば、ナノテクノロジーを新たなステージへと引き上げることができるかもしれません。

かつて私たちはアルミ缶のポイ捨てに無関心でした。

しかしアルミの再利用が広がると、アルミ缶は捨てるには「もったいない」資源となりました。

現在の私たちは、不要なプラスチックを単なるゴミと認識していますが、遠くない未来では常識が変わり、廃プラをアルミ缶よりも「もったいない」資源として認識する日が来るかもしれませんね。

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