利用大气中的二氧化碳创造资源

利用大气中的二氧化碳创造资源

2023/02/08

利用大气中的二氧化碳创造资源 团队合作₂有效利用技术的创新

全球125个国家和1个地区已宣布将在2050年实现碳中和（截至2021年4月底）。为了实现这一目标，二氧化碳 (CO₂)排放CO₂包括移除和再利用在内的综合方法至关重要其中，CO₂作为资源，CCU：二氧化碳捕获和利用，一种捕获废气和大气并将其重新用作燃料和各种产品的技术，正在引起关注确实如此。其中，需要一个更高效的流程低浓度二氧化碳₂是个大问题
AIST 使用独特开发的催化剂来还原稀浓度的二氧化碳₂合成甲烷。基于这一结果，我们开发了一种使用不使用过渡金属的催化剂直接生产合成气（一氧化碳和氢气的混合物）的技术。大气二氧化碳浓度低₂生产作为原料和未来合成燃料和有用化学品生产的发展也进入了视野。
除了开发这些催化剂之外，我们还致力于使外围流程更加高效、规模更大。我们还开始与企业联合研究，以将这项技术应用到社会中，并继续在建设碳中和社会方面取得进展。

CO₂一种双功能催化剂，可处理4843_4863|

　为了实现碳中和，CO₂除了减少大气中已有的二氧化碳排放₂二氧化碳₂作为一种资源，从废气或大气中捕获它，并将其作为甲烷气体等燃料或各种产品重新利用，正在引起人们的关注。其中之一是 CO₂和氢 (H₂)。

　工厂和发电厂排出的废气通常含有二氧化碳₂氮气和氧气也混入其中。此外，还有CO₂浓度本身很低。从中生产纯甲烷，CO₂提前并进一步集中。传统上，CO₂被吸收到碱性水溶液中并加热产生高纯度CO₂。这项技术是CO₂问题是在吸收和释放操作过程中需要大量的热能来交替重复低温和高温条件。

　二氧化碳₂，那么减排的初衷就大打折扣了。 “我们认为需要一种新的催化剂来解决这个问题，因此我们继续进行研究，”参与开发的能源转换过程小组的 Fumihiko Kosaka 说道。

　通过使用独特开发的催化剂，该小组使用了消耗大量热能的二氧化碳₂无需经过浓缩过程即可稀释CO浓度₂合成甲烷气体的技术。 (2021/2/25 新闻稿）

　这种催化剂具有两种功能，故称为双功能催化剂，CO₂和吸收的CO₂的转化反应。二氧化碳₂H₂反应时，会产生甲烷。

　二氧化碳₂是白芝麻，负责转化的过渡金属部分是黑芝麻，那么双功能催化剂就像一个撒了白芝麻和黑芝麻的饺子。你可以同时享受两种口味（功能）”，领导该团队的 Koji Kuramoto 使用熟悉的图像说道。

　此外，该技术的优点是工厂和发电厂产生的二氧化碳浓度相对较高（废气中含有百分之几到几十）₂CO₂，与大气中大致相同的气体，也可以合成甲烷。事实上，当我们评估从 001% 到 13% 的各种条件下的性能时，我们发现 CO₂的浓度如何，CO都会被回收₂的 CO 含量超过 90%₂转化为甲烷。

　CO 浓度与大气一样稀薄₂产生甲烷作为燃料这是一项了不起的成就，但这项技术还有进一步发展的潜力。

伟大的意外发现：使用不需要过渡金属的催化剂制造合成气

　下一个发现是同组的Tomorei Sasayama发现的，它是CO的双功能催化剂₂我正在使用仅含钠而不含镍的催化剂进行实验，以详细评估其吸收能力。

　与产生甲烷、CO 的实验类似₂₂反应，仅使用钠作为催化剂生成一氧化碳（CO）。迄今为止，钠等碱性成分已被₂,CO₂转化为其他物质；它同时含有碱金属成分和过渡金属，因此这种催化剂被认为具有双重功能。然而，从该实验来看，即使单独使用碱成分₂并将其转换为CO。(2022/5/13 新闻稿）

　最初是CO₂我一直在寻找一种将催化剂的吸收能力提高五到十倍的方法。为此，我们首先创建了一种仅含钠而不含镍的催化剂，并且₂₂然后钠变成CO₂中夺走一种氧元素，并产生 CO，”笹山解释了该实验。

　在双功能催化剂中，钠等碱性成分是CO₂和过渡金属如镍CO₂转化为其他物质。因此，通过改变过渡金属的类型，CO₂虽然已经经常进行，但尚未进行研究来探索仅使用碱性成分的转换功能。

　纯属巧合，“如果CO出来了，就可以用它！”CO一般被认为是一种会导致中毒的危险气体，但是CO和H₂的混合物是一种称为“合成气”的多功能材料。由合成气生产的合成燃料可作为化石燃料的清洁替代品用于汽车和飞机。它也是一种多功能材料，可用作塑料和橡胶等各种有用化学品的原材料。

回忆起那些日子，仓本说道：

　二氧化碳是一种气体，每个人都在研究如何有效生产它，因为它是各种有用化学品的原材料。₂被转化并产生了CO。”所以我搜索是否有其他类似的论文，但我找不到。之后，无论我实验多少次，都会得到相同的结果，所以我确信这是一个惊人的发现。”

　不使用过渡金属CO的成分简单的催化剂₂但也会产生二氧化碳。如果开发这项技术，可以减少发电厂和工厂的废气以及大气中的二氧化碳。₂制造液体燃料和化学产品的道路作为起始原料，低浓度CO₂的回收将会取得很大的进步。

转变思路，循环粉状催化剂提高效率

　为了使这些在实验室水平上取得成功的研究成果真正在世界范围内得到应用，不仅需要开发催化剂，还需要开发粉末催化剂和CO₂和H₂。

　当固体催化剂和气体分两阶段反应时，常见的方法是将催化剂填充到称为固定床反应器的容器中，并通过使两种气体交替流入容器中来引起反应发生。第一个CO₂CO₂，然后H₂通过产生甲烷气和合成气。但问题是开关时内部残留有少量气体，导致产生的气体浓度发生波动。

　长期以来用于重油裂化反应和煤炭燃烧的循环流化床反应器被作为解决这一问题的手段。该方法与气体和催化剂交替接触、催化剂粒子在不断流动的两种气体之间来回移动（循环）从而交替接触的方法相反。这会导致总体 CO₂同时合成气体。

　我们都在分享想法并设计定制的实验设备，例如使用透明反应器的循环流化床反应器，以便我们可以观察内部催化剂颗粒的运动，以及可以自动评估许多催化剂性能的高通量设备。”（Kousaka）

　目前，反应过程正在进行实验评估，效果良好，在7个多小时内产生了浓度恒定的甲烷气体。

实际应用的挑战是提高催化剂性能和系统耐久性

　该小组的下一个挑战是实际应用。仓本表示，要实现这一目标，需要克服许多挑战。第一步是提高催化剂的性能。在吸收过程中，尽可能多的CO₂是为了提高产品的纯度。在合成气、CO 和 H 的生产中₂的各种混合比例也很重要。与此同时，我们正在开发设备和系统，使测量转化效率的繁琐任务自动化，同时逐渐改变催化剂中钠和镍的含量。

　就反应过程而言，循环流化床反应器似乎是一种有效的方法。然而，也存在流化床特有的问题。由于催化剂颗粒在气流中循环，如果长时间运行，催化剂可能会变细并劣化。为了将其投入实际使用，需要在几个月或几年的时间内验证其耐用性。

　另外，实际工厂和发电厂排放的废气中的CO₂还有杂质。燃烧城市收集的垃圾含有氧气和水蒸气，而燃烧煤炭则含有硫。针对这些问题，有必要提高系统的耐久性，并构建考虑预处理的系统。

　课题组认为，需要考虑各种场地来优化反应器及周边系统的形状和尺寸，而不必太拘泥于流化床法。第一步是优化反应器和周边系统的形状和尺寸，例如中型CO2焚烧设施₂我们目前正在努力从源头证明这一点。

　我们希望与一家能够研究各种反应床（包括循环流化床反应器）优缺点的公司合作，如果存在任何问题，将与我们一起克服并实施这些问题，”仓本谈到他的前景时说道。能源转换过程小组既年轻又经验丰富，将继续为实现碳中和社会而稳步努力。