CO2吸着用途のためのH3PO4、ZnCl2、KOHを用いた低コスト化学活性炭の調製と特性評価

廃材の木材を気候支援素材に変える

大気中の二酸化炭素（CO2）濃度の上昇は地球温暖化の主要因であり、その多くは化石燃料を燃やす発電所や工場から排出されます。大気に到達する前にCO2を回収することは気候変動を抑える有望な手段ですが、現在の多くの方法は高価で腐食性のある液体を用いています。本研究はより簡便な発想を検討します：イラン北部に自生する価値の低いペルシアン・アイアンウッドを、高い多孔性を持つ木炭様材料に変換し、効率的かつ安価にCO2を捕捉する方法です。

林産副産物から設計された活性炭へ

研究者たちはHyrcanian（ヒルカニアン）森林に豊富に生育するParrotia persica（ペロティア・ペルシカ）の木材を出発原料としましたが、これは商業的価値が低い資源です。木材を洗浄・粉砕した後、酸素を除いた環境で加熱して炭素に富む固体に変換し、さらに三種の化学薬品で処理しました：強酸のリン酸、亜鉛の塩である塩化亜鉛、強塩基の水酸化カリウムです。それぞれの薬剤は加熱中に木材中の天然高分子と異なる反応を起こし、微細な孔を刻むことで内部表面積を調整します。薬剤量や処理温度を変えることで、異なる孔構造を持つ活性炭群を作り出しました。

CO2のための微細な空隙を設計する

孔が重要なのはなぜでしょうか。固体材料によるガス捕捉は、ガス分子が弱い電気的相互作用で表面に付着することで成り立ちます。内部表面積が大きく、かつ分子に適したサイズの空隙が多いほど多くの分子を保持できます。研究チームは窒素ガス吸着や顕微鏡観察で孔径と表面積を評価しました。塩化亜鉛処理は最も高い比表面積（約1,925 m2/g）を生み、角砂糖にテニスコートを広げたような規模に相当します。一方、リン酸処理は特に大きな細孔容積と超微細孔からやや大きめの孔まで混在する構造、さらに多くの酸素含有表面官能基を持つ活性炭を作りました。これらの化学的特徴は、やや電荷の偏りがあるCO2が極性や塩基性のサイトに引き寄せられるため、CO2との相互作用を強めます。

これらの吸着材はどれほどCO2を捕えるか？

研究者たちは室温付近、最大14 barまでの圧力でCO2の吸着量を評価しました。これは工業排ガスに近い条件です。全サンプルで低温側でのCO2吸着が強く、ガス分子が温度上昇でより速く動くため付着しにくくなるという物理的な「付着」プロセスに一致しました。材料の中では、最も高い処理比のリン酸活性炭（ACH3と表記）が、1 bar・25 °Cで最良のCO2容量を示し、比表面積がやや低い塩化亜鉛試料を僅かに上回りました。この優位性はより大きな細孔容積と豊かな表面化学に由来します。吸着時に放出される熱の解析は、CO2が主に物理的相互作用で保持されていることを示しており、これは材料を穏やかな加熱で再生して繰り返し使用できることを意味します。

普通の空気成分からCO2を選り分ける

排ガスからCO2を回収するには保持量だけでなく、窒素（N2）など他のガスに対する選択性も重要です。各ガスの挙動測定と確立された理論を組み合わせることで、研究チームはCO2/N2混合気からどの程度CO2を選択的に吸着するかを推定しました。リン酸処理および塩化亜鉛処理の活性炭はいずれも大気圧で概ね20倍程度のCO2選択性を示し、CO2を強く好むことが分かりました。水酸化カリウムベースの試料は選択性が低めで、その理由は孔ネットワークがやや粗くエッチングされ一部が閉塞しており、CO2に最適なサイズのサイトが少なかったためと考えられます。重要なのは、性能の良い活性炭はいずれも数回の吸着–脱離サイクルでほぼ一定の性能を維持し、実運転での繰り返し使用に耐えられる可能性を示したことです。

将来のCO2回収にとっての意義

専門外の方への要点は明快です：価値の低い森林副産物を精密に設計されたスポンジ状の炭素材料に加工することで、CO2を効率的に捕え、窒素より強く選択し、複数回再利用できる素材が得られるということです。試した手法の中では、ペルシアン・アイアンウッドのリン酸処理と塩化亜鉛処理が特に有望で、高い比表面積、適合した孔径、および好ましい表面化学のバランスを示しました。ガス混合物での性能予測は実規模の流動試験での検証を要しますが、地域のバイオマスから慎重に設計した“木炭”が工業的温室効果ガス削減のための実用的で低コストな手段になり得ることを示しています。

引用: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

キーワード: カーボンキャプチャ, 活性炭, バイオマス, CO2吸着, 多孔質材料