二酸化物材料
フロリダ州ボカラトンの化学会社（米国）
二酸化物材料
会社の種類プライベート
業界化学産業
ジャンル炭素回収貯留、イオン交換膜
設立2009年9月9日; 16年前、米国イリノイ州シャンペーンにて （2009年9月9日）
本部
フロリダ州ボカラトン
、
私たち
製品サステインアルカリイオン交換膜、二酸化炭素電解装置、水電解装置
Webサイト二酸化ケイ素材料

ダイオキサイド・マテリアルズは2009年にイリノイ州シャンペーンで設立され、現在はフロリダ州ボカラトンに本社を置いています。主な事業は、世界の二酸化炭素排出量を削減する技術の開発です。ダイオキサイド・マテリアルズは、二酸化炭素、水、再生可能エネルギーをカーボンニュートラルな ガソリンまたはジェット燃料に変換する技術を開発しています。その用途には、CO2リサイクル[ 1] 、持続可能な燃料生産[1]、再生可能エネルギーの抑制削減[2] [3]（つまり、送電網で利用できない再生可能エネルギー[2]）などがあります。

二酸化炭素電解装置技術

二酸化炭素電解装置は、ダイオキサイド マテリアルズの事業の主要部分です。[4]この研究は、二酸化炭素の電気化学的還元 のためのより優れた触媒を見つけるという米国エネルギー省の課題に応えて開始されました。[5] 当時は過電位(つまり無駄な電圧) が高すぎ、還元率が低すぎたため、実用化には至りませんでした。[5] [6] ダイオキサイド マテリアルズの研究者らは、金属とイオン液体からなる二機能性触媒が二酸化炭素の電気化学的還元の過電位を下げることができると理論づけました。実際に、銀ナノ粒子と、等量の 1-エチル-3-メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート (EMIM-BF4) と水を含むイオン液体溶液の 2 つの触媒を組み合わせると、 CO2から一酸化炭素 (CO) への変換の過電圧が約 1 ボルトからわずか 0.17 ボルトにまで下がることが分かりました。[7] その後、他の研究室の研究者らが、多くの金属といくつかのイオン液体でこの発見を再現しました。[8]二酸化物材料は、アルカリ水の電気分解[9] [10]およびアセチレンのヒドロカルボキシル化[11]（「レッペ化学」）でも同様の増加が起こることを示している。

ダイオキサイドマテリアルズが提案する、EMIM存在下（緑）と非存在下（黒）の銀上でのCO2電気分解反応経路

現時点では、イミダゾリウムが二酸化炭素の電気化学的還元における過電位をどのように低下​​させることができるのかについては、依然として疑問が残っています。CO 2の電気分解における最初のステップは、CO 2またはCO 2を含む分子錯体への電子の付加です。結果として生じる化学種は、左の図で「CO 2 ¯」と表記されています。イオン液体がない場合、この化学種を形成するには、分子あたり少なくとも1電子ボルトのエネルギーが必要です。[12]この電子ボルトのエネルギーは、反応中に大部分が無駄になります。Rosenら[7]は、イオン液体の存在下では新たな錯体が形成されるため、1電子ボルトのエネルギーが無駄にならないと仮定しました。この錯体により、反応は右の図の緑色の経路をたどります。最近の研究では、この新たな錯体は両性イオンであることが示唆されています[13]。 他の可能性のある経路（すなわち、両性イオンではない経路）については、Keithら[14]で議論されています。Rosenら[15]は、この新しい錯体が両性イオンである可能性を示唆しています。 [15] Verdaguer-Casadevall ら。[16]およびShiら。[17]

サステインメンブレン

サステニオン37の構造

残念ながら、イオン液体は腐食性が強すぎるため、実用的な二酸化炭素電解装置には使用できないことが判明しました。イオン液体は強力な溶媒であり、市販の電解装置ではシール、炭素電極、その他の部品を溶解・腐食します。そのため、実用化は困難でした。

腐食を避けるため、ダイオキサイドマテリアルズはイオン液体触媒から触媒陰イオン交換ポリマーに切り替えた。[18] [19]多くのポリマーがテストされ、右の図に示すイミダゾリウム官能化スチレンポリマーが最高の性能を示した。[18] [20] この膜はサステインという商標名で販売されている。サステイン膜の使用により、CO2電解装置の電流と寿命が商業的に有用な範囲まで上昇した。 [ 21] [22] [23] [24] [25]サステイン膜は、60 °Cのアルカリ性条件下で100 mS/cmを超える導電率を示し、[10] 1M KOH中で数千時間安定しており、[10]多くの異なる用途に役立つ物理的機械的安定性を提供する。この膜は、高電流密度のCO2電解装置で3000時間を超える寿命を示した。 [26] [10]最近の研究では、最適化されたカソードを持つ細胞膜は200mA/ cm2で最大158日間動作できることが指摘されています。[27]

参考文献

  1. ^ ab ARPA-E概要：CO2を燃料と化学物質に変換する
  2. ^ ab Lori Bird、Jaquelin Cochran、Xi Wang、「風力および太陽エネルギーの出力抑制：米国における経験と実践」、NRELレポートNREL/TP-6A20-60983、2014年3月
  3. ^ ARPA-E概要：高効率水素製造
  4. ^ Dioxide Materialsのウェブサイト
  5. ^ ab A. Bell et al.「基礎研究にはエネルギーのための触媒が必要」DOE PNNL-17214
  6. ^ ハルマンとスタインバーグ、「温室効果ガスの二酸化炭素削減」、ルイス出版社、1999年。ISBN 1-56670-284-4
  7. ^ ab Rosen, Brian A.; Salehi-Khojin, Amin; Thorson, Michael R.; Zhu, Wei; Whipple, Devin T.; Kenis, Paul JA; Masel, Richard I. (2011). 「イオン液体を介した低過電位でのCO 2からCOへの選択的変換」. Science . 334 (6056): 643– 644. Bibcode :2011Sci...334..643R. doi :10.1126/science.1209786. PMID  21960532.
  8. ^ 低過電圧下でのイオン液体によるCO2からCOへの選択的変換に関する引用文献[1]
  9. ^ Masel, Richard I.; Liu, Zengcai; Sajjad, Syed (2016). 「2V未満で1 A/cm 2を示す陰イオン交換膜電解装置」 ECS Transactions . 75 (14): 1143– 1146. Bibcode :2016ECSTr..75n1143M. doi :10.1149/07514.1143ecst.
  10. ^ abcd doi :10.1016/j.ijhydene.2017.10.050
  11. ^ Richard I. Masel、Zheng Richard Ni、Qingmei CHEN、Brian A. Rosen、「アクリル酸の持続可能な製造方法」、米国特許9790161 [2]
  12. ^ 「より少ないエネルギーでCO2を変換する」ChemistryViews . 2011年10月13日.
  13. ^ Pellerite, Mark; Kaplun, Marina; Hartmann-Thompson, Claire; Lewinski, Krzysztof A.; Kunz, Nancy; Gregar, Travis; Baetzold, John; Lutz, Dale; Quast, Matthew; Liu, Zengcai; Yang, Hongzhou; Sajjad, Syed D.; Gao, Yan; Masel, Rich (2017). 「燃料電池および電解装置向けイミダゾリウム官能化ポリマー膜」ECS Transactions . 80 (8): 945– 956. Bibcode :2017ECSTr..80h.945P. doi :10.1149/08008.0945ecst.
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  23. ^ マーク・ハリス、「二酸化炭素を燃料に変える起業家たち」、ガーディアン、2017年9月14日
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  25. ^ Michael Foertsch、「これらの方法はCO2を安価なエネルギーに変える」、Wired、2017年9月24日
  26. ^ Sajjad, Syed D.; Gao, Yan; Liu, Zengcai; Yang, Hongzhou; Masel, Rich (2017). 「電気化学用途向けTunable-High Performance Sustainion™アニオン交換膜」ECS Transactions . 77 (11): 1653– 1656. Bibcode :2017ECSTr..77k1653S. doi :10.1149/07711.1653ecst.
  27. ^ Liu, Zengcai; Yang, Hongzhou; Kutz, Robert; Masel, Richard I. (2018). 「サステナビリティ膜を用いた高選択性、安定性、高効率なCO 2からCOおよびO 2への電気分解」 Journal of the Electrochemical Society . 165 (15): J3371 – J3377 . doi :10.1149/2.0501815jes.
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