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摘要：日本的研究小组成功开发了一种新型DAC系统，该DAC系统利用相分离，提高了二氧化碳吸收速度并将产物从反应系统中分离出来，即使在气体流通的情况下也能以99%以上的效率捕获大气中的低浓度（400ppm）二氧化碳。

关键字：CO₂直接回收技术、DAC技术、新型DAC系统、固体氨基甲酸、相分离

要点

利用液态胺与二氧化碳反应形成的固体氨基甲酸实现“相分离”，从而开发出一种能够以99%以上的效率吸收大气中的低浓度二氧化碳（400ppm）的新型DAC系统。
研究发现，将悬浮有固体氨基甲酸的水溶液加热到60℃左右，可以解吸并回收吸收到的二氧化碳。
本系统对于400ppm至30%的广泛浓度范围内的二氧化碳，去除效率均可达99%以上，并且适用于任何产生固体氨基甲酸的胺类，因此本次开发的通过相分离的二氧化碳吸收回收系统通用性强，不仅可以应用于DAC，还可以用于从工厂废气中回收二氧化碳。

概要

为了解决气候变化问题，确立一种二氧化碳回收和利用技术成为了当务之急。但是，现有的回收大气中低浓度二氧化碳（400ppm）的技术（DAC技术）在效率和成本方面还有改进的空间，因此需要开发一种新型DAC技术。

研究小组成功开发了一种新型DAC系统，该DAC系统利用相分离，提高了二氧化碳吸收速度并将产物从反应系统中分离出来，即使在气体流通的情况下也能以99%以上的效率捕获大气中的低浓度（400ppm）二氧化碳。

本研究中，研究小组利用异佛尔酮二胺（一种具有环己胺基团的二胺化合物）与二氧化碳反应时会获得不稳定的固体氨基甲酸这一现象，成功开发了一种可以高速吸收大气中的低浓度二氧化碳的DAC技术（图1）。

将悬浮有固体氨基甲酸的水溶液加热到60℃时，可全部释放并回收所吸收的二氧化碳（图1）；异佛尔酮二胺水溶液可反复利用；同时该系统可应用于其他胺类，二氧化碳吸收速度是现有技术的2倍以上，因此，本次发现的利用相分离的二氧化碳吸收回收系统有望作为一种新型DAC系统投入实际应用。

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图1利用具有环己胺基团的二胺分子进行相分离的高效DAC系统的开发

研究背景

为了解决气候变化问题，亟需实现脱碳社会。日本提出到2050年实现碳中和的目标，此外，还致力于建立创新型技术开发，进一步减少过去排放到大气中的二氧化碳（Beyond Zero）。

目前，为了减少来自工厂等的二氧化碳排放量，日本正在以胺吸收法为中心推进实用化。然而，虽然现有的胺吸收法在吸收百分之几以上的高浓度二氧化碳方面是有效的，但其并不适用于吸收ppm量级的低浓度二氧化碳。

为了实现“Beyond Zero”，亟需有效吸收大气中二氧化碳（400ppm）的技术。目前，瑞士Climeworks公司的Orca工厂正在建设使用固体二氧化碳吸收材料的DAC工厂，加拿大Carbon Engineering公司正在建设使用KOH/Ca(OH)₂二氧化碳吸收液的DAC工厂，努力将DAC投入实际应用。但是，在低浓度二氧化碳的吸收效率和回收成本方面存在课题，为了将DAC技术投入实际应用，亟需开发一种能够克服这些问题的新型工艺。

研究内容

一般情况下，当胺（R-NH₂）与二氧化碳（CO₂）反应时，会形成不稳定的氨基甲酸（R-NHCOOH，胺与二氧化碳以1:1的比例反应）和氨基甲酸根阴离子（R-NHCOO^-，胺与二氧化碳以2:1的比例反应）。

本次，研究小组着眼于能够与二氧化碳反应形成“固体氨基甲酸”的胺化合物。利用“相分离”，如果在胺水溶液（液相）中二氧化碳能与胺以1:1的比例反应并形成固体氨基甲酸（固相），通过将溶液中不稳定的氨基甲酸转变为稳定的固体氨基甲酸提取，就可以稳定地吸收和固定二氧化碳，并且可以将产物氨基甲酸从反应体系（液相）中去除，进一步促进胺与二氧化碳之间的反应。

基于这些预测，研究小组使用各种胺化合物研究了与二氧化碳反应生成固体氨基甲酸的化合物，发现环己基部具有至少一个氨基的二胺化合物群可通过相分离产生固体氨基甲酸（图2）。其中，异佛尔酮二胺能最有效地吸收400ppm的二氧化碳，二氧化碳和异佛尔酮二胺以1:1的比例反应，即使在水性溶剂中也能发挥作用。

此外，还发现了在固体氨基甲酸悬浮的状态下，在通入氮气的同时加热至60℃时，所吸收的二氧化碳就会全部释放出来，固体氨基甲酸全部返回到液相的异佛尔酮二胺中。这是因为固体氨基甲酸的溶解度因加热而上升，溶液中不稳定的氨基甲酸增加，从而即使在60℃的低温下也会释放出二氧化碳（图2）。

研究结果表明，异佛尔酮二胺具有高耐久性，经过100小时后，仍能以超过99%的效率持续吸收大气中二氧化碳，即使反复吸收和释放二氧化碳至少5次之后，也没有观察到其性能下降，可以反复用作二氧化碳吸收和释放材料。

研究发现，本研究开发的异佛尔酮二胺相分离的DAC工艺每小时可吸收高达214mmol的二氧化碳（每1mol的吸附剂），吸收速度比正在实施的去除废气中二氧化碳的胺吸收法快了约5倍，比使用KOH的DAC系统快了3倍以上，并且是近年来报道的各种DAC系统的2倍以上，因此，在去除低浓度二氧化碳（400ppm）方面，其是世界上最快的系统。

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图2：（上）异佛尔酮二胺高效吸收并去除400ppm的CO₂，形成固体氨基甲酸；（下）异佛尔酮二胺吸收解吸CO₂的机制。

研究意义和社会影响

本研究开发的通过相分离的DAC系统即使在水性溶剂中也能发挥作用，表现出世界上最快的二氧化碳去除效率，并且作为吸附剂使用的异佛尔酮二胺具有很高的利用效率（一分子二氧化碳与一分子二胺反应），因此有望成为超越现有技术的高效DAC系统。

此外，只加热到60℃即可解吸并回收吸收到的二氧化碳，吸收材料还可以反复使用，因此可以低成本回收二氧化碳。而且，本研究证实本系统可以长时间去除实际空气中的二氧化碳，通过系统的大型化能够进一步降低成本，从而实现超越传统系统的新型相分离DAC工厂。目前，除了DAC系统，研究小组还在开发使用源自生物质的化合物的二氧化碳转化反应。通过结合利用本研究开发的相分离DAC系统和二氧化碳转化反应系统，致力于实现以空气为原料制造塑料和化学产品的“Beyond Zero”社会（图3）。

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图3 利用相分离DAC系统，将空气中CO₂用作碳资源

超越现有技术！世界最高效率空气中CO2直接回收技术