帯電炭化水素

Nature Communications volume 14、記事番号: 1954 (2023) この記事を引用

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16 オルトメトリック

メトリクスの詳細

化学品製造業は、温室効果ガスの最大の原因の一つです。 関連する排出量の半分以上は、アンモニアとメタノール、エチレングリコール、テレフタル酸などの含酸素化合物の合計に起因します。 ここでは、電気による陽極の炭化水素から酸素への変換と水からの陰極の H2 発生反応を組み合わせた電解装置システムの影響を調査します。 私たちは、陽極炭化水素から酸素化物への変換が高い選択性で開発されれば、化石ベースのNH3および酸素化物の製造に関連する温室効果ガス排出量を最大88%削減できることを発見しました。 私たちは、温室効果ガス排出量の純削減を可能にするために低炭素電力は必須ではないと報告しています。今日米国または中国で利用可能な MWh あたりの二酸化炭素排出量の電力を使用した場合でも、世界の化学産業の排出量は最大 39% 削減できます。 最後に、この研究の方向性に着手したいと考えている研究者に対する考慮事項と推奨事項を述べます。

化学製品製造は、世界の産業排出量の 18% を占め、温室効果ガス (GHG) の主要な排出源の 1 つです1。 これらの化学物質の排出量のうち、85% は化石燃料ベースのエネルギーと原料の大量消費から生じており、15% は現在の熱化学的生産方法の不完全な選択性からの直接排出です。つまり、炭化水素原料のかなりの部分が酸化されています。目的の部分酸化生成物ではなく、二酸化炭素 (CO2) への道です2。 したがって、完全にカーボンニュートラルにするには、単にエネルギー源を化石燃料から再生可能エネルギーに切り替えるだけでは十分ではありません。今日のプロセスは、炭化水素を CO2 まで酸化しない代替手段に置き換える必要があります。

すべての化学物質を考慮すると、GHG 排出量の 50% 以上は、アンモニア (NH3) と、化学物質の一部として酸素を含むメタノール、エチレンオキシド、エチレングリコール、プロピレンオキシド、フェノール、テレフタル酸などの含酸素化合物の合計に起因しています。構造２． したがって、これらの化学物質を製造する新しいプロセスに関する熱心な研究は、正味の GHG 排出量の削減に大きな効果をもたらす可能性があります。

エチレン、プロピレン、p-キシレンなどの炭化水素の部分酸化による含酸素化合物の製造は、プラスチックおよび繊維産業にとって重要です。 これらのプロセスは通常、不活性炭化水素を活性化して官能化するために高温高圧で行われます。 これらの反応は発熱する性質があるため、熱暴走を抑制し、標的酸化物の選択性を制限する炭化水素の CO2 への完全酸化を最小限に抑えるために、大規模な冷却も必要です。 たとえば、エチレンの約 80% のみが最終製品のエチレンオキシドに組み込まれ、残りは直接 CO2 排出に変換されます (図 1A)3。

熱触媒による炭化水素から酸素化物へのプロセス（現在のプロセスの詳細は図S1〜6にあります）と、メタン改質および水性ガスシフト反応によるH2生成の概念図。 図 1C の赤い矢印は直接排出源を示しています。 B 2030 年の化学産業のゆりかごから門までの年間温室効果ガス排出量8,49,55,56,57。 C NH3 製造および炭化水素酸化による年間排出量の、原料、直接排出および廃棄物処理、熱エネルギー、および電力への内訳。

ここで還元反応の話に移りますが、NH3 の製造は、化学産業の世界的な GHG 排出量に単独で最大の貢献をしています2。 これはNH3の生産量が多いためであり、世界の食料生産の半分以上がアンモニアベースの肥料に依存しています。 GHG 排出量の大部分は、水素 (H2) 原料を生成するためのメタン改質反応と水性ガスシフト反応から直接生じます (図 1A)。