皆様、二酸化炭素(CO2)と聞くと環境問題の根源だ！と思う方も多いかと思います。確かに温室効果ガスとして気候変動に寄与しているのCO2ですが、今その新たな可能性が注目されつつあります。
例えば、近い将来、ペットボトルを始めとした様々な材料や製品が、CO2をもとにして作られているかもしれません。本日はそんな未来を切り開こうとする、最先端の研究を紹介します。カナダのトロント大とアメリカのカーネギーメロン大の研究グループから、CO2からエチレンという化合物を効率的に合成することができたという報告が今年に入ってありました（元論文はこちらです）。
まず、このエチレンという物質についてですが、現代の化学産業の主役の一つと言ってもよい物質で、年間に2億トンものエチレンが生産がされています。その市場規模は6兆円程度にものぼります。
実際に、エチレンは様々な製品の原料や製造工程で使用されています。例えば、ペットボトルの材料であるポリエチレンテレフタレート（PET）はエチレンを主原料として作られています。また、家具や建材等様々なところで使用されているポリスチレン（PS)という材料もエチレンをもとに製造されています。皆様のほとんどが日々の生活の中で、エチレンから作られた何かを知らず知らずに使っていることになります。
従来エチレンは、ナフサとばれる化石資源から抽出されてきました。このナフサの価格が比較的に低いために、私たちは安価でも品質の良い製品を使用できているわけですが、一方でそれら最終製品が燃焼された場合、そこに含まれる炭素の少なくとも一部はCO2として大気に放出されてしまいます。つまり、我々の生活サイクルの中では、
ナフサ（地下)→エチレン→製品→CO2(大気)
という一方通行の流れができてしまっている訳です。一方、今回の報告にあるように、もしエチレンをCO2から合成することができれば、
CO2（大気もしくは排気ガス)→エチレン→製品→CO2
といったカーボンサイクルと呼ばれるサイクルがなりたちます。これは大気中のCO2が増えることがなく、よりサステナブルな生産→消費の在り方だとされています。（ここで一つ気を付けなければならないのは、カーボンサイクルを成立させるために、エネルギーを大量に使用してしまっては、そのエネルギー供給にCO2を大気に放出してしまう可能性もあります。）以上の理由から、多くの研究者達が何らかの方法によってCO2からエチレンのような人々が使えるもの（有価物）を、より効率的に作ろうとしているのです。
さて、話を今回の報告に戻すと、この研究者たちは電気を使ってCO2をエチレンに変換したとあります。これはつまり、電気エネルギーを化学エネルギーに変換したことになります。CO2を変換する方法としては、電気の他に、熱、光、生物を原動力ととしたものがあります。詳しい比較はまた次の機会に見ていくとして、電気を用いたCO2の変換の特徴は、
-文字通り電気のみを用いるので、その他の原料(水素)やエネルギーが必要ないこと
-再生可能エネルギーとの組み合わせが可能であること
-合成できる化合物が多様であること
が挙げられます。特に、従来CO2の変換には水素が必要というのが一般的でしたが、この水素自体をつくるのにコストがかかってしまうため、実用化が困難でした。もし、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーとの組み合わせができれば、電気的にCO2を変換する技術はブレークスルーを起こせるかもしれません。なおこの技術は新しいものではなく、日本の堀教授（千葉大)らが、1990年代に先駆的な研究をしたことでも知られています。
今回の研究のもう一つ特徴的なことは、電気的にCO2を変換するのに胆となる物質(触媒)を、マシンラーニングによって探索したという点です。新しい物質をこうした手法で探索する方法は数年前から脚光を浴びており、今回の報告をした同じ研究室でもその可能性が取り上げられています。
彼らは、マシンラーニングによって240種類もの材料の特性（CO2をどのような物質に変換するか)を予測し、4種類の有望な候補を”実験することなく”絞り込んだとしています。さらに、それら候補物の実際の特性を実験的に検証していき、最終的にCO2をエチレンに変換するのに最も効率が高い材料を見つけることができたようです。
特性を図る一つの指標として、電気が１００流れた時にいくつCO2の変換に使われたかという値(ファラデー効率)がありますが、こちらの研究ではその値が世界最高の80%に到達しました。この効率が高いほど消費する電気が無駄なく使われていることになり、経済的にも環境的にも有利になってきます。
ここまで話をしてきて、本技術が非常に有望に感じられた方もいるかも知れません。しかしながら、まだ実用化には改善の余地があるようで、例えば今回の筆頭研究者であるSargent教授(トロント大)は「価格競争力のあるエチレンをCO2から作るためには、まだエネルギーのコストを下げなければいけない」と述べており、さらなる効率や選択的に反応できる割合の向上を目指していくそうです。
今回取り上げた電気的なCO2変換は大学の研究室からの報告でしたが、このような技術に取り組む方々は企業にも見られます。実は、日本の企業でもこうした挑戦的な研究開発に取り組む方々もいます。こうした企業間での競争、協力関係も、また別の機会に紹介できればと思います。
私たちが普段使っているものを、CO2から創造していく未来。その実現には、化学、物理だけではなく、経済や政治等様々な要因が作用しており、実用化までにはもう少し時間がかかるかもしれません。しかし、研究者達の挑戦に刺激されて、そんな遠くない未来を想像してみるのもまた楽しいでしょう。
この記事は下記を参考に作られました。
https://news.engineering.utoronto.ca/artificial-intelligence-helps-researchers-up-cycle-waste-carbon/