为了实现化学工业的碳中和，业界正积极探索使用非化石资源作为原料的技术。尤其是削减大气中CO₂浓度，利用可再生能源电力直接将二氧化碳（CO₂）转化为化学品原料的“电化学 CO₂还原反应（CO₂RR）”工艺，作为根本性削减 CO₂ 排放的技术而受到关注。然而，现阶段 CO₂RR 的能量转换效率尚低，提高其能源效率是实用化进程上的一大课题。
日本东北大学跨学科科学前沿研究所的笘居高明教授等人组成的研究团队，通过利用高温高压状态下的水环境（水热反应场），使CO₂RR工艺的高效率化成为可能。通常情况下，电化学反应在高温环境下更易进行，因此工业水分解反应多在 100℃ 未满的高温条件下进行。另一方面，由于气体伴随着温度上升在水中的溶解度会降低，因此对于 CO₂RR 工艺而言，过高的温度会同时降低 CO₂ 在水中的溶解度和能量转换效率。研究团队通过将环境压力提高到 100 个大气压以上的高压环境，成功克服了高温条件下 CO₂溶解度下降的问题。实验结果证实，在150℃、100个大气压的水热环境下，通过提高CO₂的溶解度和扩散系数促进了向电极供应的CO₂，大幅改善了CO₂RR工艺的能量转换效率。
（a） 100 大气压条件下，不同温度下的电流-电压曲线。实验中采用铂板为阳极、金板为阴极，并使用CO₂饱和碳酸氢钾溶液。
（b）电流密度达到 100 mA/cm² 时的各温度条件下，不同生成物的比例。随着温度升高，电流密度增大，使得相同的反应可在更低的电压下进行，从而提升了能量转换效率。
此外，作为确保高温环境的能源供应来源，研究团队着眼于工厂和发电厂的未利用低温废热。实验结果表明，该方法在甲醇等化学品生成过程中具有实现CO₂ 吸收量大于排放量的“碳负排放”的可能性。此次的研究成果通过将化学工程方法引入电化学工艺，可为 CO₂高效资源化以及碳完全循环社会的化学产业变革做出贡献。预计在未来可持续发展的循环社会中，利用水热反应场的电解技术将发挥重要作用。（TEXT：原绘里香）
原文：JSTnews 2025年2月号
翻译：JST客观日本编辑部
