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摘要：日本的研究小组成功将二氧化碳催化合成为甲酸和甲醇等，并发现太阳能电池板制造过程中产生的废弃硅可用作该反应的还原剂。今后，有望开发同时实现二氧化碳回收和太阳能电池板回收的技术。

关键字：CO₂资源化技术、废弃硅再利用、还原剂、太阳能电池板回收、甲酸、甲醇

要点

成功以CO₂为原料催化合成甲酸和甲醇等
将太阳能电池板制造过程中排出的硅用作还原剂
有望同时实现CO₂的有效利用和太阳能电池板的回收利用

研究成果

为实现2050年碳中和社会，二氧化碳（CO₂）减排和有效利用是紧迫的课题之一。本研究成功创造出将CO₂转化为甲酸和甲醇的催化反应。甲酸和甲醇是各种化学品原料的重要有机化合物，其中甲酸可用作防腐剂和杀菌剂，而甲醇可用作工业基础原料。要将CO₂转化为这些有机物，需要使用催化剂和还原剂。研究发现，可以利用在太阳能电池板制造过程中产生的废弃硅片（金属硅）作为还原剂。换言之，成功利用工业废气CO₂和废弃的金属硅合成了有用的化学品——甲酸和甲醇（图1）。

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图1 使用TBAF催化剂由CO₂和硅粉合成甲酸和甲醇

研究发现，通过在CO₂气氛下混合粉末状的硅片和适量的四丁基氟化铵（tetrabutylammonium fluoride; TBAF），并在150℃下加热，会消耗CO₂并生成甲酸。甲酸收率最高可达68%，投入反应容器的CO₂中约70%转化为甲酸。此外，通过进一步改善反应条件，成功利用CO₂合成了最高20微摩尔的甲醇。这些反应在不添加TBAF的情况下不会进行，由此证明氟化物是一种重要的催化剂。

利用金属硅还原CO₂的先行研究和本研究成果的比较如图2所示。先行研究中都需要准备特别制备的硅纳米粒子。为了活化硅表面，还需要添加比硅重量大37～2.2倍的氟化氢（HF）（剧毒）。此外，本研究中可以利用废弃的硅晶片，且用于代替HF的稳定氟化物盐的量也仅为单位硅重量氟标准的0.7%以下。

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图2 本研究与传统方法的比较

为了确认生成的甲酸和甲醇来自CO₂中的碳，使用同位素13C取代的13CO₂进行催化反应，结果发现生成的甲酸和甲醇中含有同位素13C。证实投入的CO₂变成了有机物（图3）。

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图3 使用稳定同位素13C确认甲酸碳原子来源

催化反应完成后，回收固体残渣，并进行X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）测量。分析结果证实，投入的金属硅被氧化。此外，可以确认在残渣表面形成了Si-F键。据推测，其机制为由于TBAF的氟化物离子与硅原子反应，金属硅表面被活性化，将CO₂还原为甲酸的氢化物物质（Si-H）作为中间体产生。

社会背景

由于可再生能源的大量引入，太阳能电池板的需求大幅增加，而其中大部分为硅系。由于太阳能电池板的平均使用寿命约为30年，预计到2050年左右，全球将有60~78兆吨的太阳能电池板被废弃，因此回收方法的开发十分重要。发电电池所用的硅量为面板总重量的2~3%，但目前还没有确立明确的硅回收方法。

本研究利用太阳能电池板制造过程中的废弃硅片作为还原剂，成功地创造出将CO₂转化为有机资源的催化反应。如图4所示，目标是将CO₂合成化学产品与硅循环回收工艺相结合。这种催化反应不仅有助于有效利用二氧化碳来构建碳中和社会，还有望成为再利用废弃太阳能电池板的回收方法之一。

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图4 （A）未来的资源循环流程和（B）太阳能电池板的废弃现状

未来展望

本研究利用了太阳能电池板制造过程中的废弃硅晶片，为了进一步促进太阳能电池板的有效回收利用，有必要扩大对从废弃太阳能电池板实际回收的硅电池的利用。本研究成果的新型催化剂反应，可以同时解决二氧化碳减排、资源化和废弃太阳能电池板的回收利用问题。

CO2资源化技术：有效利用太阳能电池板制造过程中的废弃硅