客观日本

产综研等开发出无需预处理即可利用稀薄二氧化碳合成高浓度甲烷的技术

2021年03月24日 能源环境

日本产业技术综合研究所等组成的国际研究团队宣布,首次开发出了无需进行预处理即可利用比大气中的含量还要稀薄的二氧化碳(CO2)高浓度合成城市燃气的主要原料——甲烷的技术。有助于实现从工业废气和大气中回收温室气体二氧化碳,并将其变成有用物质加以利用的“CCU(二氧化碳捕集利用)”技术。

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利用分两个阶段发挥作用的催化剂将二氧化碳转换为甲烷的技术概念图(图片由产综研提供)

为实现低碳社会,业界正研究利用把可以吸附二氧化碳的钠、钾和钙等与镍混合后制作的催化剂。这种催化剂能分两个阶段发挥作用,首先吸附二氧化碳气体成分。然后添加氢,通过镍的催化作用与吸附的二氧化碳发生反应,生成甲烷和水。这样就可以从气体中提取二氧化碳,并转换为有用的甲烷。以往的研究对象主要是工业领域产生的含有较高浓度二氧化碳的气体,比如发电站的废气等。

因此,为了使这种催化剂在只含有低浓度二氧化碳的大气等环境中也能发挥作用,研究团队对其进行了改良。利用含不同浓度二氧化碳的气体,实施了确认催化剂性能的实验。具体浓度为(1)相当于工业废气的5~13%浓度、(2)以大气中的浓度为标准的400ppm(1ppm为100万分之1)、(3)比大气中的浓度更稀薄的100ppm。为提高反应速度,实验在450℃的温度下进行。

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利用催化剂从含100ppm二氧化碳的气体中制作甲烷的实验结果(图片由产综研提供)

结果显示,即使是在最严苛的(3)的条件下,从实验开始到40分钟后,实验容器的排气口也没有排出二氧化碳。表明在这段时间内催化剂吸附着二氧化碳。从容器中抽出原有气体后加入氢气,很快就产生了甲烷。与普通反应相比,浓度高达1000倍以上。实验确认,催化剂在这3个条件下全部发挥了作用。从催化剂中释放的二氧化碳有90%以上直接转换成了甲烷。

研究团队设想将其用于从大气中回收二氧化碳,因此还利用与大气一样含有20%氧气的气体进行了实验。镍接触到氧气后会氧化,从而破坏催化剂的性能。在实验中,尽管性能略有下降,但仍成功吸附了二氧化碳并将其转换成了甲烷。

以往的CCU技术在转换二氧化碳前一般需要先利用吸收剂进行处理,以将浓度提高到接近100%,这样会消耗大量热能。而利用本次实验使用的催化剂的话,释放吸附的二氧化碳是吸热反应,生成甲烷是发热反应。这两种反应同时发生,因此从原理上来说,具有无需从外部加热的优点。

研究团队中的产综研能源过程研究部门能源转换过程研究小组的仓本浩司组长表示:“我们打算把直接将大气和废气中的二氧化碳转换为甲烷的技术打造成CCU的撒手锏之一,从而为低碳社会带来创新”。

研究团队由产综研和荷兰代尔夫特理工大学的研究人员组成。相关成果已于2月25日发布在美国化学期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》的电子版上。

【相关链接】
产综研新闻发布资料“开发出利用大气中的二氧化碳合成高浓度城市燃气原料的方法

日文:JST Science Portal 编辑部
中文:JST客观日本编辑部

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