21. 酸化グラフェンはCO2を吸着・吸収することができる

2022年4月29日 10:48

August 5, 2021
mikandersen

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参考

Rodriguez-Garcia, S.; Santiago, R.; Lopez-Diaz, D.; Merchan, MD; Velazquez, MM; Iron, JLG; Palomar, J. (2019). 酸化グラフェンとポリアニリンまたはFe3O4ナノ粒子からなるナノコンポジットのCO2吸着特性に対する酸化グラフェンシートの構造の役割。ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(14), p. 12464-12473. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b02035

はじめに

酸化グラフェンのCO2に対する特性を解明する前に、「吸着」と「吸収」という概念を区別し、定義しておくことが有効である。以下に説明するように、酸化グラフェンは、異なるナノ材料構成でCO2を吸着・吸収することができる。
吸着は「アドソープション」と混同されがちですが、「アドソープション」は「吸着」のことです。物質が気体、液体、固体の原子、イオン、分子と結合することができる性質である。この場合、酸化グラフェンの表面にCO2を引き寄せ、くっつけたり、付着させたり、固定させたりする能力のことである。この引力は、水滴同士の距離が十分に近づくと、水滴がより大きな水滴に凝集する「表面張力」と同様の作用がある。
吸収とは、物質が気体、液体、固体の原子、イオン、分子と同化、統合、結合する性質のことです。このコラムで紹介するのは、酸化グラフェンがCO2を集積する能力である。ただし、これには第3のナノコンポジットやポリマーが必要であり、グラフェン単体では達成できないことに注意したい。

事実

今回分析した論文は、気候変動との戦いにおける酸化グラフェンの役割を説明する関連情報を提示しています。Rodríguez-García, S.; Santiago, R.; López-Díaz, D.; Merchán, M.D.; Velázquez, M.M.; Fierro, J.L.G; Palomar, J. 2019）による研究は、酸化グラフェンとFe3O4ナノ粒子を組み合わせて大気への二酸化炭素放出を削減する「吸着」特性を実証しています。酸化グラフェンとFe3O4の複合化は、抗がん剤DNA医薬品やワクチンの開発（Shah, M.A.A.; He, N.; Li, Z.; Ali, Z.; Zhang, L. 2014）、農業用バイオサイド肥料（Chang, M.; Gao, B.; Chen, J.; Li, Y.; Creamer, A.E.; Chen, H. 2014）、5G電磁波吸収テスト（Ma, E. Li, J.; Zhao, N.; Liu, E.; He, C.; Shi, C. 2013）、CRISPR技術を用いた遺伝子組み換えによるワクチンデリバリー（Abbott, T.R.; Dhamdhere, G.; Liu, Y. Lin, X.; Goudy, L.; Zeng, L.; Qi, L.S. 2020｜Ding, R.; Long, J.; Yuan, M.; Jin, Y.; Yang, H.; Chen, M.; Duan, G. 2021｜Teng, M.; Yao, Y.; Nair, V.; Luo, J. 2021）などがあります。つまり、同じ化合物でありながら、あらゆるケースや用途に対応できる汎用性の高さが特徴です。
酸化グラフェンによるCO2の吸着反応図

図1. 酸化グラフェンによるCO2の吸着反応図（Rodríguez-García, S; Santiago, R.; López-Díaz, D.; Merchán, M.D.; Velázquez, M.M.; Fierro, J.L.G; Palomar, J. 2019).

酸化グラフェンは、大気中のフィルターや空気の除染に適した特殊な性質を持つ材料であるが、これは逆説的で矛盾している。忘れてはならないのは、（浮遊粒子としての）酸化グラフェンの吸入は健康に有害であり（Ou, L.; Song, B.; Liang, H.; Liu, J.; Feng, X.; Deng, B.; Shao, L. 2016）、すでに以前の記事で述べた、血液中の酸化グラフェン（Palmieri, V.; Perini, G.; De Spirito, M; Papi, M. を参照）を著しく損傷することがある点です。2019）、酸化グラフェンと脳細胞の相互作用（Rauti, R; Lozano, N; Leon, V.; Scaini, D; Musto, M.; Rago, I.; Ballerini, L. 2016）、酸化グラフェンはミトコンドリアの恒常性を破壊する（Xiaoli, F. Yaqing, Z; Ruhui, L.; Xuan, L.; Aijie, C.; Yanli, Z.; Longquan, S. 2021) など、「グラフェン毒性」のクエリで検索可能な論文があります。
論文の分析に戻ると、「酸化グラフェンとポリアニリン（PANI）またはFe3O4ナノ粒子をベースにしたナノコンポジット」がCO2を吸着・保持することができると示されています。この特殊な能力は「微細孔の容積に応じて直線的に増加する」。この詳細は、氷の核生成に使用される材料の種類と一致しており、同様にナノ結晶形成においてより良い性能を得るために多孔質である必要があったからです（Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. 2019）。多孔質な性質は化学肥料でも評価されています（CN107585764A. 刘亚男；何东宁；石伟琦；王琚钢；马海洋；李普旺；减皑敏）。2020）、そして興味深いことに、脳内のRNA干渉療法を標的としたナノ粒子（Joo, J; Kwon, E.J.; Kang, J.; Skalak, M.; Anglin, E.J.; Mann, A.P.; Sailor, M.J. 2016.
実際、多孔質グラフェンは、他の著者（Blankenburg, S.; Bieri, M.; Fasel, R.; Müllen, K.; Pignedoli, CA; Passerone, D. 2010）が、アンモニア、二酸化炭素、アルゴンを吸着する2次元酸化グラフェン膜という形で大気中のナノフィルターとして用いられていると指摘されている。
この論文の序文を読むと、興味深い記述が見受けられます。具体的には、「地球にとって深刻な問題である地球温暖化問題」に研究の正当性が集約されている。温室効果ガス、特にCO2の濃度が増加しているため、その除去プロセスの開発が必要である。" というものである。この意味で、酸化グラフェンは、この汚染物質が引き起こす影響を緩和するための「効果的かつ経済的な」解決策となる。科学文献で研究されている選択肢（膜による吸着・吸収、液体アミンによる化学吸収）の中で、性能、エネルギー効率、およびこのような目的に使用される装置の腐食による付随的影響のバランスが取れているものはなかった。しかし、ハイドロゲル、エアロゲル、ナノスフェア、ナノチューブなどの形態の酸化グラフェンは、Fe3O4で機能化すると、Co2捕捉能力が3倍になるようである。
この実験は、現実的なCO2吸着シナリオ、特に燃焼ガスによって生じるCO2吸着シナリオをシミュレートすることを目的としている。このことから、酸化グラフェンの用途としては、燃焼エンジンの排気管やその他の産業用燃焼プロセスが考えられるが、実際には、「燃焼後のガス（pCO2 = 0.15 bar、pN2 = 0.85 bar）に対応するより現実的なシナリオを考慮すると、（酸化グラフェン）ナノコンポジットから得られる IAST CO2/N2 選択性値は、効果的に保持するには改善しなければならない "と指摘されている。IAST（理想的な吸着溶液理論）は、いくつかの要因によって決定されます。まず、「bar」（バール圧力単位）で表される大気圧、酸化グラフェン触媒のグラムあたりの原子量mmol/g、CO2の温度、吸着時間などが挙げられます。研究者らは、PANIポリマーでコーティングした酸化グラフェンは、動作温度でより良い吸着結果が得られるだけでなく、リサイクル可能な特性を持ち、より効率的にその挙動を調整することができると結論づけている。
酸化グラフェンによるCO2の「吸着」については、他の研究でも取り上げられている。例えば、（Wu, X.; Zhao, B.; Wang, L.; Zhang, Z.; Zhang, H.; Zhao, X.; Guo, X. 2016）の研究では、PVDF（polyvinylidene fluoride ）と酸化グラフェンを異なる濃度で用いて膜を作成し、室温条件でCO2吸収が観測された実験が行われています。その結果、グラフェンの割合を増やすと、膜の吸収容量が増加することが分かりました。この結果には、空隙率（実験では82％）が関与しており、これがPVDFの結晶化や核生成の原因ともなって、膜の形状が変化し、今度は酸化グラフェンの粗さと接触面が大きくなり、吸収容量が大きくなった。興味深いのは、PVDFが疎水性であるため、膜が濡れてもCO2が失われないことである。(Irani, V.; Maleki, A.; Tavasoli, A. 2019) による研究でも、ナノ流体酸化グラフェンと、「アミン・メヒルジエタノールアミン」としても知られるMDEAを組み合わせたCO2吸収が取り上げられており、この材料の能力が確認されている。例えば、MDEAに0.2%の酸化グラフェンを添加すると、混合物の重量をほとんど増加させずに、異なる温度でCO2吸収能力が10%以上増加することが示されています。

意見

酸化グラフェンは、大気中のCO2を吸着し、温室効果ガス削減を実現するために用いることができる。その意味で、すでにこのような目的に使われていてもおかしくはない。(Pöschl, U. 2005) によれば、酸化グラフェンは、グラフェンの熱分解や不完全燃焼から生じる煤とともに大気中のエアロゾルを分析すると見つかる。ジェット機には、詳細には書かれていないが、ほんのわずかな量である。このことは、気候変動対策に航空ベクターを利用することにつながる、非常に関連性の高い手がかりとなる。

参考文献

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