気候変動が激化し、炭素排出量が記録的な高さに達するにつれ、二酸化炭素 (CO2) をリサイクルする効果的な方法を見つけることがこれまで以上に急務となっています。カーボンニュートラルに向けた世界的な動きが加速する中、CO2を有用な燃料や化学物質に変換する革新的な方法が急速に注目を集めています。その中で、CO2 をアルコールベースの製品に変換することは、これらの化合物が高いエネルギー価値と経済的価値を持っているため、特に有望です。このプロセスは大きな可能性を秘めているにもかかわらず、効率の低さと大規模な工業生産の難しさによって長い間阻害されてきました。
韓国の光州科学技術研究院（GIST）の研究者らは、独自の触媒経路によって二酸化炭素をアリルアルコールに変換する新しい電気化学的方法を開発し、二酸化炭素変換効率の世界新記録を樹立した。
最近、韓国の光州科学技術院（GIST）のジェヨン・リー教授、ミンジュン・チェ博士、スアン・ベ博士が率いる科学者チームがこの分野で大きな進歩を遂げました。
CO2をアルコールに変換する彼らの新しい方法は、並外れた効率性と大規模生産能力を兼ね備えており、世界的な実績を樹立しました。ネイチャー・カタリシス誌に掲載された彼らの研究は、二酸化炭素を「アリルアルコール」に変換する電気化学技術を明らかにしている。アリルアルコールは、さまざまな産業用途を持つ価値の高い化合物です。
二酸化炭素電気化学的還元技術は、二酸化炭素（地球温暖化の原因）を有用な物質に変換できる、カーボンニュートラル時代の重要な技術です。しかし、アリルアルコールのような炭素原子を3つ以上含む高付加価値化合物を選択的に生産するには、多くの課題があります。まず、現在の方法はファラデー効率が非常に低く、使用される電力の15%未満しか実際に目的の化合物の生成に使用されず、残りは無駄になります。第二に、複雑な反応経路と中間体の安定性の低さもプロセスの非効率性を悪化させます。
李教授は次のように説明した。「アリルアルコール（C3H6O）は、様々な化学反応に利用できる非常に有用な物質です。しかし、複雑な炭素-炭素（C-C）結合形成プロセスと反応中間体の安定性の低さのため、これらの高付加価値化合物を液体状態で製造することは困難です。」
研究者が開発した技術は注目に値する。研究チームは、リン化銅（CuP₂）とニッケル鉄（NiFe）の酸化触媒を膜電極アセンブリに統合し、リンを豊富に含む銅触媒を調製しました。この触媒を電気化学装置に使用すると、ファラデー効率は 66.9% に達し、これは現在の最高技術 (<15%) の約 4 倍に相当します。このような高い効率は、望ましくない副産物の生成を最小限に抑え、目的の物質のみを選択的に生成する触媒の優れた選択性を証明しています。
さらに、この技術では、電極の単位面積あたり1100 mA cm−2の電流を流すことができ、部分電流密度735.4 mA cm−2、生産速度1643 μmol cm−2 h−1も記録されました。これらのメトリックは、これまでに報告された最高のパフォーマンスを表しており、大規模アプリケーションでの可能性を強調しています。
アリルアルコールはプラスチック、接着剤、消毒剤、香料などさまざまな産業にとって重要な原料であるため、この技術はその大規模生産に変革をもたらす可能性があります。
さらに、この方法のメカニズムもユニークです。従来の方法は一酸化炭素経路を経て進行しますが、このアプローチでは、中間ラジカルとしてギ酸からホルムアルデヒドへの変換中に炭素-炭素 (C-C) 結合が形成される新しい反応経路が明らかになりました。この仕組みにより液体が直接生成されるため、保管や輸送が容易になり、製品の商品価値が大幅に向上します。
この技術は、カーボンニュートラル時代における画期的な進歩であり、炭素原子を1つしか含まないCO2を、炭素原子を3つ以上含む多炭素の高付加価値化合物（C3+）アリルアルコールに選択的に変換することで、経済的な電気化学的炭素回収および利用技術への新たな道を開くものと期待されています。
李教授は次のように強調しました。「このCO2変換技術は、排出圧力の高まりに直面している石炭、石油化学、鉄鋼業界にとって新たな事業の方向性を切り開くものと期待されます。これは、拡張可能な科学技術を通じてカーボンニュートラル時代に向けた重要な一歩であると信じています。」
この研究は、研究の焦点を従来の C1 および C2 ターゲットから他のターゲットに移すことで、CO2 の価値向上の範囲をより複雑で価値の高い分子に拡大します。チェイ博士は、このアプローチは有望だが、連続フローおよびゼロギャップ膜電極アセンブリシステムへのさらなる統合により、CO2からの液体燃料と化学前駆物質のスケーラブルで持続可能な生産が可能になる可能性があり、それが化石燃料への依存を大幅に減らし、より環境に優しい未来への道を切り開くだろうと明言した。