横国大ら,廃太陽パネルでCO2から有用物質創生

横浜国立大学,産業技術総合研究所,東京工業大学は,二酸化炭素(CO2)のギ酸・メタノール等への触媒的合成に成功し,この反応の還元剤に,太陽光パネルの製造工程で排出されるシリコンが利用可能であることを見出した(ニュースリリース)。

研究では還元剤として,粉砕し粉末状にした太陽光パネルの製造工程で排出されるシリコンウエハーと,触媒量のフッ化テトラブチルアンモニウム(TBAF)をCO2雰囲気下において混合し,150℃で加熱することで,CO2が消費されて,ギ酸が生成していることを見出した。ギ酸の収率は最高で68%に達したといい,反応容器に投入したCO2のおよそ7割がギ酸へと転換したことになる。

さらに反応条件を検討することで,CO2から最高で20マイクロモルのメタノールを合成することにも成功した。これらの反応はTBAFを添加しないと全く進行せず,フッ化物が重要な触媒となることがわかった。

金属ケイ素をCO2と反応させてCO2を還元する既存の報告では,いずれも特別に調製したシリコンナノ粒子を準備する必要がある。シリコン表面を活性化するために,シリコン重量に対して37~2.2倍の猛毒であるフッ化水素(HF)を加える必要もある。一方で,研究では廃棄されるシリコンウエハーを利用することができ,HFの代わりに利用する安定なフッ化物塩の量もシリコン重量当たりフッ素基準で0.7%以下ですむ。

生成したギ酸やメタノールがCO2の炭素由来であることを確認するために,同位体13Cで置換した13CO2を用いて触媒反応を行なったところ,生成したギ酸やメタノールに同位体13Cが含まれていることが観測され,投入したCO2は確実に有機物へと変化していた。

触媒反応の終了後に固体残渣を回収し,X線光電子分光(XPS)と X線回折(XRD)測定を実施した結果,投入した金属ケイ素が酸化されていることを確認した。さらに,残渣の表面にSi-F結合が形成されていることを確認し,TBAFのフッ化物イオンがケイ素原子と反応することで金属ケイ素表面が活性化されて,CO2をギ酸へと還元するヒドリド種(Si-H)が中間体として生成するメカニズムが推定された。

研究では,太陽光パネルの製造工程で排出されるシリコンウエハーを還元剤として活用し,CO2を有機資源へ変換する触媒反応の創出に成功した。研究グループはこの触媒反応が,CO2の有効利用に貢献するだけでなく,太陽光パネルの有価値なリサイクル方法の一つとなる可能性があるとしている。

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