Direct CO2 capture from air using ionic liquid-based accelerated transport membranes

• Project/Area Number: 23KF0006
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡邉 賢 東北大学, 工学研究科, 教授 (40312607)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): YU GANGQIANG 東北大学, 工学研究科, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2023-04-25 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2024: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: CO2 / 水素化 / ギ酸 / イオン液体 / 触媒

Outline of Research at the Start

本研究では、ILのスクリーニングや構造-物性相関の基礎的な理解など体系的な測定を行うとともに、COSMO-RSとUNIFACモデルによる効果的なスクリーニングツールを提供し、また、量子化学(QC)計算と分子動力学(MD)シミュレーションは、構造-特性関係と基礎的なメカニズムを研究する最も強力な方法であることから、IL-FTM系に向けた体系的な理論研究を行う。

Outline of Annual Research Achievements

二酸化炭素（CO2）は、気候変動を引き起こす主な温室効果ガスであり、温室効果ガス排出量の約3/4を占めている。廃棄物の流れに含まれるCO2の濃度は、空気中の約400ppmから、排ガス（燃焼排ガス）中の90％まで様々である。現在、吸収、吸着、極低温、膜分離などのCO2回収技術は、ほぼ純粋なCO2を生産することができるが、輸送や最終利用のために調整されるため、かなりの経済的・エネルギー的コストがかかる。CO2は、触媒作用により、環状（ポリ）炭酸塩、CO、ギ酸（FA）、メタノール、炭化水素（燃料）など、多種多様な価値ある製品に変換することができ、必要なCO2純度は95％～99％の範囲で変化する。CO2回収と変換プロセスの統合により、回収したCO2を直接利用することが可能になり、エネルギー集約的なCO2脱着・圧縮工程を省くことができる。CO2水素化としてギ酸（FA）へと変換する反応を考える、令和5年度は基礎的な実験検討をした。具体的には，DMSO（Dimethylsulfoxide）とH2Oの混合溶媒に対して，イオン液体および触媒を添加し，混合ガスをCO2，H2の順で導入した後に所定温度まで加温することで進めた．混合溶媒中のH2O濃度は5 vol%とした．イオン液体には[bmim][Ac]（1-butyl-3-methylimidazolium acetate）を用い，仕込み量を 1 mmol～6 mmolに変化させた．触媒にはルテニウム系触媒であるRu3(CO)12を5 mg添加した．混合ガスは室温仕込み時の全圧を2.0～8.0 MPaとし，いずれも等物質量となるように導入し，昇温後の圧力を実験圧力として記録した．実験温度は40 ～100 °Cとし，反応時間は27～72 hとした．NMR分析した結果、FAが検出できた。現在、結果をとりまとめ、報告の準備をしている。