温度と圧力を分離したカーボンサブの水熱合成

Nature Communications volume 13、記事番号: 3616 (2022) この記事を引用

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バッチ反応器内で発生する水熱プロセスの温度と圧力は通常、連動しています。 今回我々は、セルロースを一定の圧力で加熱できる温度と圧力を分離した熱水システムを開発することで、セルロースの分解温度を大幅に下げ、炭素サブミクロン球の迅速な製造を可能にします。 カーボンサブミクロン球体は等温時間を必要とせずに製造でき、従来の水熱プロセスと比較してはるかに速く製造できます。 高圧水はセルロースの水素結合の切断を促進し、脱水反応を促進し、低温でのセルロースの炭化を促進します。 概念的なバイオリファイナリー設計に基づくライフサイクル評価により、この技術が燃料の代わりに炭化水素を使用する場合、または土壌改良に使用される場合に、炭素排出量の大幅な削減につながることが明らかになりました。 全体として、この研究における温度と圧力を分離した水熱処理は、カーボンネガティブ効果を備えたセルロースから持続可能な炭素材料を製造する有望な方法を提供します。

化石燃料の消費により生成される CO2 の量は増加し続けており (カーボンポジティブ排出量、図 1a)、気候変動や海洋酸性化などの深刻な結果を引き起こしています。 木材、草、農業廃棄物（わら）などのリグノセルロース系バイオマスは、セルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成され、再生可能でカーボンニュートラルな資源です1。 バイオマスの利用には、世界の純炭素排出量を削減する上で大きな可能性があります2。 燃焼、ガス化、嫌気性消化などのバイオマスの従来の利用はカーボンニュートラルです。 バイオマスから炭素材料への変換は、炭素を安定した固体の形で貯蔵できるネガティブエミッション技術（NET）です（図1a）。 2 °C 目標を達成するには、最悪の場合でも年間 7 ～ 11 Gt 炭素のマイナス排出が必要であり、最良の場合でも年間 0.5 ～ 3 Gt 炭素が必要であると報告されています3。

a カーボン ポジティブ、カーボン ニュートラル、カーボン ネガティブの状況の概略図。 b セルロースベースの原料の低温水熱処理で得られた炭素サブミクロン球の図。

セルロースは、リグノセルロースバイオマスの主成分（40〜60％、質量ベース）として、紙および綿ベースの繊維の主成分でもあります4。 セルロースは炭素材料 5、6、化学薬品 7、8、またはエタノール 9 に変換できますが、その生産は通常、化石燃料に大きく依存しています。 したがって、セルロースの高付加価値利用は、エネルギー危機や地球温暖化の緩和に貢献することが期待されています。 セルロースの水熱変換により、固体炭素質材料、液体バイオオイル、および可燃性ガス (H2、CO、CH4 など) が生成されます 10、11、12。 固体炭素質材料、すなわち炭化水素は、コンデンサの電極、廃水処理、および燃料電池に使用できます13、14。

バッチ反応器は操作が簡単で汎用性があるため、水不溶性物質の水熱プロセスの研究に広く使用されています。 ただし、典型的なバッチ反応器では、温度と圧力が連動しているため、温度と圧力を個別に制御することが困難であり、いわゆる「温度効果」の原因となるのは、本質的には温度と圧力の組み合わせである可能性があります。 セルロース（結晶）は一般に、飽和蒸気圧 1.9 MPa、約 210 °C で分解することが知られています 15,16。 ただし、温度が 100 °C から 210 °C に上昇すると、圧力は 0.1 MPa から 1.9 MPa に上昇します。これは、温度と圧力の結合水熱 (CTPH) プロセスです。 したがって、この結果が温度、圧力、またはその両方によって引き起こされるかどうかは不明です。 つまり、圧力が変化すると、それに応じて分解温度も変化する可能性があります。