室温で高効率にCO2を吸収可能な薄型シート状Li4SiO4コンポジット
中央大学

理工学部 応用化学科教授 大石克嘉
2022年9月13日

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本日の発表のアウトライン• 固体型リチウム系複合酸化物CO2吸収材における従来技術の問題点．
• 上記問題点の解決と新技術の利点．
• 開発した自己発熱型CO2吸収コンポジットの構造とCO2吸収機構．
• さらなる吸収の効率の向上に向けた今後の技術開発課題• 応用分野：炭化水素の水蒸気改質法による水素製造工程におけるCO2の除去．
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CO2の分離・回収 1)・CO2を固体表面に吸着・脱着させる吸着法
・CO2が通過しやすい膜を利用する膜分離法
・CO2が吸収・放散されやすい液体や固体を用いる吸収法

1) K.Yamada, Netsu Sokutei, vol.32, No.4, pp.195-200, (2005)3固体型のCO2吸収材の中の，リチウム系複合酸化物のCO2吸収と反応－CO2は化学反応で固体(Li2CO3)になる－

4質量変化率 [mass%]

リチウム系複合酸化物のCO2吸収温度帯

常温でのCO2吸収は困難

最大CO2吸収率 40.2 mass%
最大CO2吸収率36.7 mass%

温度 [ºC]

5ºC/min up to 1000ºC in CO2

Li4SiO4
Li2CuO25

リチウム系複合酸化物のCO2吸収機構と問題点(欠点)CO2吸収前反応率 20%（620℃）

反応率 60%（700℃）

反応率 100%（700℃）

5μm

CO2

CO2
Li4SiO4

Li2SiO3(s)Li2CO3(s)上記状態になると，CO2吸収速度が緩慢になる

Li2CO3(l)Li2SiO3(s)Li2CO3(l)Li4SiO4

Li4SiO4

CO2

Li2SiO3(s)CO2CO2CO26

従来技術とその問題点
1:固体型CO2吸収物質の1つであるリチウム系複合酸化物のCO2吸収能は，650℃～700℃の温度領域のみに限定されるため，常温下でのCO2吸収剤としての使用(応用)は難しい。
2:上記リチウム系複合酸化物は，顆粒の形でCO2吸収材での応用が期待されているが，顆粒の粒子の最表面からCO2吸収するため，少量のCO2の吸収後は，そのCO2吸収能が激減する。
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問題点の解決法の1つ－粒子を割って活性面を出す－

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従来の固体型CO2吸収物質は，顆粒状もしくは粉末状で使用されて来た新技術では， CO2吸収物質(Li4SiO4)を顆粒状ではなく，通電により発熱するSi板の表面に積層(配置)した構造の全く新しい自己発熱CO2吸収コンポジットを考案する

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新技術の特徴・従来技術との比較• リチウム系複合酸化物CO2吸収材に自己発熱機能を持たせる事により，従来技術の問題点であった“常温では使用が困難”である点を改良する可能性が示唆される。
• リチウム系複合酸化物CO2吸収材に，上記自己発熱機能を付加することにより，そのCO2吸収能は常に活性に保たれる。

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リチウム複合酸化物は，CO2吸収能力が温度により大きく異なっているが，リチウム系複合酸化物自身の温度を変化させることにより，常温下でも使用可能になる。

CO2吸収温度帯

CO2放出温度帯11CO2吸収物質Li4SiO4は，ケイ素(Si)を含んでいる。
ベース部分にSiを，その上に中間層であるSiO2層を，その上にCO2吸収物質Li4SiO4層を組み上げた層状CO2吸収コンポジットの構造を考案。2-5)2) R. Kobayashi, K. Oh-ishi, Chem.Eng. 57 (2012) 25.
3) K. Oh-ishi, M. Kanegawa, Mat.Sta. 12 (2012) 56.
4) K. Oh-ishi, R. Kobayashi, Ohm 100 (2013) 9.
5) 大石克嘉、小林亮太，金川護，特許第6363407号.

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Siをベースとした
NPNトランジスタの積層構造(SiO2層)(Si層)

層状になって回路を形成している13

Si(ケイ素)板とLi4SiO4層の強固な連結性
線熱膨張係数(mm/mm・℃) 6)

Si： 7.63×10-6 (40℃)
SiO2： 7.97×10-6 (0～80℃)

Li4SiO4は使用可能と予想される－SiとSiO2から成る半導体デバイスは熱で破壊する事は稀－

6) 理化学辞典(岩波)第3版

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Li4SiO4系自己発熱型CO2吸収コンポジットの作製方法7)－電気炉での加熱により積層構造(コンポジット)は容易に作製可能－
Si表面上に，Li2CO3 を塗布し、大気中で加熱

Siウェハー(単結晶)

Li4SiO4
Li4SiO4/SiOx/Si
コンポジットSi(s) + 2Li2CO3(s) + O2(g) → Li4SiO4(s) + 2CO2(g)(酸素は，雰囲気から供給)

Li2CO3の融点は710℃付近であるため、 Li2CO3が液体状になる
固-液反応が進み、反応しやすい

7) 大石克嘉、小林亮太，金川護，特許第6363407号.

15本技術に関する知的財産権7)• 発明の名称 ：CO2吸収部材の製造方法、CO2吸収部材およびCO2吸収装置出願番
号：特許第6363407号• 出願人：中央大学• 発明者：大石克嘉、小林亮太、金川護

16実用化に向けた課題• 現在、Si板をベースとし、かつCO2吸収物質としてLi4SiO4を使用した自己発熱型CO2吸収コンポジットの作製まで成功している。が，Siベース部分の面接が小さくCO2吸収量は少量のままとなっている。このため，Siベース部分の面積を大きくする点が現時点での課題である。将来的には，Siベース部分の大きさを，A4の大きさにしたいと考えている。
• 同時に，Siベース部分に，太陽光発電用の使用済みポリSi基板の使用を考えている。
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現在研究中の試み－CO2吸収材の極薄大面積化－
CO2吸収層 (Li4SiO4層)
酸化物層 (SiO2層)Si基板 現在の大きさ(2 cm×7 cm)

約50倍

A4サイズ

(21 cm×30 cm)

極薄・・・少ない電力で発熱する
大面積・・・吸収量を増やす
電源は，メタンの水蒸気改質装置の200V電源か100V電源から取る
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今後の課題2を，太陽光発電装置内に在る“使用済みポリSi”で作製する

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想定される用途• 本技術である自己発熱型CO2吸収コンポジットは、未来の燃料の1つである水素の製造に使用される。具体的には，炭化水素(主にメタン)と水蒸気を反応させて水素を得る場合，同時にCO2も発生してしまう。が，その反応時に，本CO2吸収コンポジットを使用すれば，水素と同時に発生したCO2を発生直後にその場で吸収が可能であり、水素製造の反応効率は高く向上する。同時に，本吸収コンポジットは，水素製造装置内でCO2の吸収・放出を繰り返すため，装置の外に取り出す必要は無いという利点もある．

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石油産油国が，今後めざす方針の中の2つ。
メガソーラーではなく，ギガソーラーと触媒を使用して，海の水から水素を製造する ⇔ グリーン水素
メタンなどの炭化水素と水蒸気(水)を反応させて，水素を製造する ⇔ ブルー水素

CH4 (メタン)+ 2H2O (水蒸気)CO2 + 4H2

この時，同時にCO2も生成してしまう×

この時に発生するCO2を吸収するために，シート状の自己発熱型CO2吸収コンポジットを使用
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お問い合わせ先中央大学 研究支援室
シニアURA 工藤，井上TEL： 03-3817-1674
FAX： 03-3817-1677
e-mail： ksanren-grp@g.chuo-u.ac.jp22