画期的な進歩により、ガスの分割と保管が突然簡単になります

2022 年 7 月 15 日

エレン・フィディアンは、コスモスの科学ジャーナリストです。 彼女はオーストラリア国立大学で化学と科学コミュニケーションの学士号 (優等学位) と科学コミュニケーションの修士号を取得しています。

風船を縛ったことのある人なら、ガスを貯めるのがいかに難しいかを知っているでしょう。 これを大規模に行うには、より多くのエネルギーと労力が必要であり、エネルギー業界の多くの人々を深刻に悩ませています。 水素燃料と炭素回収の出現により、この問題はさらに顕著になるだけです。

さらに難しいのは、化石燃料の採掘や精製から排出されるさまざまな炭素ベースのガスなど、混合ガスを分離することです。 分離と貯蔵の両方を行うために、産業界は通常、ガスが液体になるまで冷却することに依存していますが、これはエネルギーと資源を大量に消費するプロセスです。

しかし、オーストラリアの研究者らによる画期的な進歩により、この状況が変わる可能性がある。 彼らの方法は室温および常圧で機能し、少量の窒化ホウ素といくつかのボールベアリングのみが必要です。

研究者らはこれまでのところ、メタンやアセチレンなどのさまざまな種類の炭化水素ガスを分離し、クリーンかつ効率的に貯蔵できることを示している。 水素や、場合によっては二酸化炭素にも作用する可能性があります。

この技術では、(当然のことですが) ホウ素と窒素から構成される窒化ホウ素と呼ばれる化合物が使用されます。 窒化ホウ素粉末は、目的のガスと一緒にボール ミル (回転粉砕機) に入れられます。

「これらの炭化水素を窒化ホウ素に初めて入れたとき、ガスは完全に消えました」とディーキン大学フロンティア材料研究所の研究員スリカンス・マテティ博士は言う。

結果は非常に珍しいものであったため、マテティと同僚は、間違いではないと確信するまでに何度か繰り返す必要がありました。

「その後、20回、30回とやり直しました。 なぜこのようなことが起こったのでしょうか? 実験なのか、それともガス漏れなのか、密閉が不十分だったのか？ すべてのパラメータを微調整しましたが、動作は同じでした。」

研究者らは、窒化ホウ素が一部のガスと非常によく結合できることに気づきました。 結合するガスは「オレフィン」と「アルキン」と呼ばれる化合物の種類で、一般的な燃料であるアセチレンはアルキンの一種です。

彼らはこの理由を化学的に解明することができました。

「窒素の電子配置と特定のガス分子の配置は一致します」とマテティ氏は言う。

窒化ホウ素とボールミルグラインダーを組み合わせると、メカノケミカル反応が発生し、オレフィンとアルキンガスが粉末に吸収されます。 しかし、メタンなどの他のガスは無視されます。

これは、化学的に非常に似ているメタンとアセチレンの混合物を簡単に分離できることを意味します。 これは、アセチレンを粉末の状態で安全に場所から場所へ輸送できることも意味します。

粉末を真空中で加熱すると、再びガスが発生します。

窒化ホウ素粉末は再利用可能です。 プロセス全体は非常にエネルギー効率が高く、1,000 リットルのガスを貯蔵するのに毎秒約 80 キロジュールしか使用しません。

研究者らは、これがアセチレンとエチレンに対して機能することを実証しましたが、水素や二酸化炭素などの他のガスの貯蔵にも応用できると確信しています。

「私たちはそれに取り組んでいます」とマテティは言います。

同氏は、このシステムは、燃料電池で使用する前に水素から炭素不純物を分離して除去するのにも機能すると述べた。 「水素が純粋でないと燃料電池が壊れてしまいます。 したがって、何らかの浄化システムが必要です。 私たちのものを使ってもいいよ。」

研究者らは、実験室で数リットルのガスを簡単に分離することに成功しました。 一般的な工業的手法を使用しているため、スケールアップが容易なプロセスであるはずです。

「いくつかのパラメータ、つまり料理レシピを最適化する必要があるだけです」とマテティ氏は言います。 「ガスの含有量、必要な材料の量、ボールミルの量などです。」

彼らはこのプロセスに関する暫定特許出願を提出しており、産業規模での実験を検討している。

彼らの発見を説明した論文が Materials Today に掲載されています。