DAC用固体吸着材の開発

東京都立大学
理学研究科 化学専攻教授 山添 誠司
2023年6月22日
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二酸化炭素除去技術とその問題点
現在のCO2排出量削減技術

二酸化炭素固定化(・利用)・貯留（CCS, CCU）技術

化学吸着法
工場等から (ｱﾐﾝ吸収法)の排気ガス

加熱

100-120℃

高濃度
CO2

高濃度CO2(～30%)
低濃度CO2(400ppm)は困難

利用（CCU)

化成品

貯留（CCS）

地中課題
・低濃度CO2(400ppm)の高効率吸着・吸着したCO2の脱離エネルギー低下
2

二酸化炭素除去技術とその問題点
Direct Air Capture (DAC)用CO2回収技術
CaOを用いた方法

低濃度
CO2

Ca2+
KOH

CaCO3>700°C
Δ

CaO + CO2 ↑高温での加熱が必要

ゼオライトによる物理吸着法

低濃度
CO2ゼオライト

ゼオライト-CO2

水蒸気存在下で失活ΔCO2 ↑3

二酸化炭素除去技術とその問題点
アミン系固体CO2吸収剤例）・固体支持体へのアミンの修飾

NH2・多孔質支持体へのアミンの担持 等回収・再生が容易Si
O O O

DAC (Direct air capture)におけるCO2吸収剤として有望

SiO2

従来の合成法 (化学修飾法)
OO

SiO

APTES

NH2

水蒸気存在下でも使用可能+(aminopropyltriethoxysilane)

OO

Si

NH2O
O

TEOS

(Tetraethyl orthosilicate)

Si
O O O
SiO2

TEOSとシラン化剤の共縮合1) シラン化剤を用いたグラフト法2)4

本技術
高密度な有機鎖を有するシリカの合成

シリカ表面へのアミノ基の固定化+
SiO2-X

Y‒NH2
アミン化合物
SiO2‒R2‒NH25

表面官有機鎖の密度
SiO2-X
SiO2-R1-NH2

表面修飾量(mmol/g)
3.92.4

SBET(m2/g)
573–X 密度(µmol/m2)
6.8--–NH2 密度(µmol/m2)
4.2*元素分析，FT-IR，比表面積評価装置により評価
α-石英の結晶構造
Si O

・Si原子の2割以上に有機鎖が修飾
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DAC条件でのCO2吸収性能評価

SiO2-R1-NH2 (前処理 : 80°C, N2 flow)
400ppm CO2 ,10 mL/min(0.011 mmol/h)

Φ6mm
固体吸着材
(0.1 g)Quartz wool

CO2濃度計

SiO2-R1-NH2

アミン量(mmol/g)

CO2吸着量(mmol/g)

アミン利用
効率(%)

4.80.98

20400ppm CO2 を6時間除去

7DAC条件でのCO2吸収性能評価
SiO2-R1-NH2 (Xの量依存性)

SiO2-R1-NH2 (Y-R1-NH2量依存性)

X0.125

0.25

0.51Y

SBET (m2/g)

342465573379

SBET (m2/g)

1

510 20 50 100 200573

測定条件

固体吸着材合成の際の最適条件が存在

Gas : 400ppm CO2Flow : 10 mL/min (0.011 mmol/h)Sorbent : 0.10 g
Des. : N2 flow, 80°C (5 °C/min), 30 min
8CO2脱離特性評価

脱離開始温度：50°C

測定条件
Gas : 400ppm CO2
Flow : 10 mL/min (0.011 mmol/h)Sorbent : 0.10 g
Des. : N2 flow, 80°C (5 °C/min), 30 min

80°C以下でCO2が脱離Abs. CO2(mmol)

Des. CO2(mmol)

80°C

0.098

0.086

120°C

0.091

0.083
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DAC条件での固体吸着材リサイクル評価

測定条件
Gas : 400ppm CO2Flow : 10 mL/min (0.011 mmol/h)Sorbent : 0.10 g (0.26 mmol)
Des. : N2 flow, 80°C (5 °C/min), 30 min

繰り返しの使用が可能
10DAC条件での固体吸着材リサイクル評価
Abs. CO2 (mmol/g)

400ppm CO2 ,10 mL/min(0.011 mmol/h)

湿潤ガス

湿潤ガス
-25+50mesh(300 μm < x < 700 μm)

乾燥ガス

飽和水蒸気

水蒸気存在下においてもCO2吸収能を発揮

赤外分光光度計

表面の–OH基によるアミノ基の失活を抑制

11DAC条件での固体吸着材リサイクル評価
Abs. CO2 (mmol/g)

FT-IRスペクトル(CO2吸収前後の差スペクトル)

400ppm1%

20%
Abs. CO2(mmol/g)

400ppm

0.77

1%

1.4

20%

4.2

高濃度CO2→カルバミン酸の形成によりCO2を回収12

N loading (mmolN/g)

Abs. CO2 (mmol/g)

種々のアミン化合物での評価

R1R2R3

前処理 : 80°C, N2 flow
Gas : 400ppm CO2Flow : 10 mL/min (0.011 mmolCO2/h)
Sorbent : 0.10 g

R4R5R6

幅広いアミンへの適用が可能
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種々のアミン化合物での評価
CO2 capacity (mmolCO2/g)

Ind. Eng. Chem. Res., 49, 359 (2010).

R2

R3

R1
ChemSusChem., 5, 2058 (2012).
Energy Environ. Sci., 4, 3584 (2011).

(▲グラフト法, ◆含浸法)

Amine loading (mmolN/g)

既存の吸収剤と同等以上のアミン利用効率14想定される用途• 本技術は空気中に含まれる低濃度のCO2を室温，流通系で吸収できるため， Direct Air
Capture (DAC)技術に応用できると考えられる．
• 高濃度CO2の吸収も可能なため，上記以外にも排気ガス中のCO2の吸収技術への応用も期待できる．
• 水蒸気存在下でもCO2を吸収・放出可能である
ため，スペースシャトル等の閉鎖空間のCO2の除去にも応用できる．
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実用化に向けた課題• 現在，固体吸着材により大気中のCO2を効率よく吸収し，80℃以下で脱離できることは実証済み．固体吸着材の大量合成や表面アミンの更なる利用効率向上が未解決• 今後，固体吸着材の大量合成法の確立，表面アミンの利用効率向上を目指す．
• 実用化に向けて，固体吸着材を用いた低コストシステムDACシステムの確立も必要である．
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企業への期待• 固体吸着材の大量合成法の確立．
• 本，固体吸着材を用いたDACプロセスの事
業化に向けた共同研究を希望• 閉鎖空間からのCO2除去技術を望まれている企業との共同研究17

本技術に関する知的財産権• 発明の名称：二酸化炭素の吸収放出剤、二酸化炭素の吸収方法、二酸化炭素の放出方法、二酸化炭素の回収方法、及び置換非晶質シリカ• 出願番号 ：特願2023-033994• 出願人：東京都公立大学法人• 発明者：山添誠司、吉川聡一，
片岡実織
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産学連携の経歴• 2018年-2019年• 2019年-2023年• 2021年-2023年

分析系の企業と共同研究実施
材料系の企業と共同研究実施
化学・システム系の企業と共同研究実施

19お問い合わせ先
東京都立大学TEL
E-mail

総合研究推進機構

URAライン

042－677－2202
ragroup@jmj.tmu.ac.jp

問合せフォームはこちらから※東京都公立大学法人・産学公連携センターのWebサイトです
https://www.tokyo-sangaku.jp/sangaku_works/sangaku_info/

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