金属銅もしくは金属ケイ素をベースとする自己発熱型CO2吸収コンポジットLi2CuO2/CuO-Cu2O/CuおよびLi4SiO4/SiOx/Siの作製とCO2吸収・放出挙動の評価

概要

１．緒言
近年、Li 複合酸化物である Li2CuO2 やLi4SiO4 は繰り返し CO2 吸収と放出が可能な特性から、固体型 CO2 吸収材として期待されて
いる 1。
Li2CuO2(s) + CO2(g) ⇌ CuO(s) + Li2CO3(s) (1)
Li4SiO4(s) + CO2(g) ⇌ Li2SiO3(s) + Li2CO3(s) (2)
しかし、これら吸収材を利用するには高温が(1)必要であり、CO2 吸収温度は 600 ~ 700℃、さらに吸収した CO2 を放出し吸収材を再生させるにはさらに高温の 700℃以上を要する。このため、これらの吸収材の利用には電気炉などの外部加熱装置が必須であった。そこで、我々は固体型 CO2 吸収材に通電による自己発熱機能を持たせた複合材料を考案し、実際にFig.1 に示す三層構造を有するコンポジットLi2CuO2/CuO-Cu2O/Cu および Li4SiO4/SiOx/Si の作製に成功している 2。

これまで、このコンポジットの作製には Si単結晶ウェハー板や Cu 線を用いており、単純な形状であった。実用にあたり、これらのコンポジットを様々な形状で作製することは非常に有用である。そこで本研究では比較的加工が容易な Cu に注目し、Cu コイルおよび Cuメッシュをベースとした従来と異なる複雑な形状のコンポジットの作製を試みたので報告する。

また、これまでコンポジットの CO2 吸収・放出挙動については、熱重量分析装置を用いて CO2 吸収・放出に伴う質量変化を測定する事で間接的に調べていた 3。そこで本研究では非接触温度計でコンポジット表面の温度を測定しながら、大気中、N2 気流中または CO2 気流中でコンポジットに通電を行い、温度に対する反応容器出口の CO2 濃度変化を CO2 濃度計で直接モニターする事で CO2 吸収・放出挙動を直接評価することを試みたので合わせて報告する。

２．実験方法
Li2CO3 粉末(レアメタリック、99.99%)をエタノールに分散させた Li2CO3 ペーストを作製し、Cu コイル(70mm、0.5mmΦ)および Cu メッシュ(3mm×70mm、40mesh)に塗布し、大気中 800℃で熱処理する事でコイル状およびメッシュ状の Li2CuO2/CuO-Cu2O/Cu コンポジットの作製を試みた。熱処理後の Cu コイルおよびCu メッシュに対し、XRD による表面構成層の同定、SEM による表面及び断面の微細構造の観察を行った。

次に作製したコンポジットを自作した評価装置に設置し、通電加熱を行いながら、出口付近の CO2 濃度を CO2 濃度計を用いて直接測定した。

３．結果及び考察
Fig.2 に Li2CO3 を塗布した Cu メッシュおよび Cu コイルの熱処理後の写真を示す。熱処理後、Li2CO3 を塗布していた部分は黒色に変化した(Fig.2 黒枠部)。XRD による相同定の結果、黒枠部は目的物質である Li2CuO2 であると同定され、コイル状試料でも同様の結果が得られた。

表面では針状結晶が形成されていることが分かった。断面では、周りを覆っている201の層が確認された。XRDよりこの層が Li2CuO2だと考えられる。したがって、作製時にLi2CO3が融解し均一に塗れることを生かして、複雑な形状であるメッシュ状およびコイル状のコンポジットの作製に成功したことが示された。

次に、大気中で通電による温度制御でCO2吸収•放出挙動の制御を試みた結果をFig.4に示す。大気中における初めのCO2濃度(520 ppm)に対し、通電加熱により温度を上げると、コンポジット表面温度が550°Cで出口付近のco2濃度が減少しco2を吸収していること
が確認された。さらに温度を上げると、800°Cでco2濃度が増加しco2を放出していること が確認された。したがって、通電による温度制御を行いながら、co2濃度計を用いてCO2 の濃度変化を直接測定することに成功した。

今回作製したコンポジットは小さく、co2吸収量が非常に少ない。したがって、今後は極薄で大面積の形状のコンポジットを使用することでCO2吸収量を増やしていき、A4サイズまで拡張していく予定である。

4. 結論
従来の板状や線状に加え、複雑な形状であるメッシュ型、コイル型の自己発熱型CO2吸収コンポジットLi2CuO2/CuO-Cu2O/Cuの作製に成功した。また、大気中においてCO2濃度計を用いて、通電加熱による温度制御でCO2吸収•放出挙動の直接測定に成功した。

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