二酸化炭素を外部電位のスイッチひとつで選択的に吸着・脱離できることを発見

発表のポイント

• 2050年カーボンニュートラル実現に向けて、二酸化炭素は選択的回収技術において多大なエネルギー消費が課題となっている。
• 構造を制御した固体酸化物材料に外部から電位を与えることで、二酸化炭素をスイッチひとつで選択的に吸着・脱離できることを理論的に明らかにした。
• 本技術によって、従来の液体方式とは異なる、乾式・小型でオンデマンド駆動が可能な二酸化炭素回収・濃縮プロセスを実現できる可能性がある。

早稲田大学理工学術院の関根 泰（せきね やすし）教授らの研究グループは、構造を制御した固体酸化物材料に外部から電位を与えることで、二酸化炭素をスイッチひとつで選択的に吸着することや脱離させることができることを理論的に明らかにしました。

2050年カーボンニュートラル実現に向けて、温暖化ガス排出抑制が喫緊の課題として取り上げられています。その中で最も量の多い二酸化炭素は、選択的回収技術において多大なエネルギー消費が課題となっていました。

本研究成果はこれまでの液体を用いた二酸化炭素回収とは異なる、乾式・小型でオンデマンド駆動が可能な二酸化炭素回収・濃縮プロセスを実現できる可能性を示しています。高効率で必要なときに必要なだけ二酸化炭素を回収・濃縮することができればカーボンニュートラルに資する新たな技術となりえます。

本研究成果は、2022年10月26日（現地時間）にイギリス王立化学会の『Physical Chemistry Chemical Physics』のオンライン版で公開されました。

論文名：Theoretical investigation of selective CO₂ capture and desorption controlled by the electric field
DOI：10.1039/D2CP04108A

(1)これまでの研究で分かっていたこと

二酸化炭素回収においては、物理的あるいは化学的な吸収の手法が長らく提案されてきました。これは回収能力を有する液体に二酸化炭素を吹き込んで吸収させるものです。吸収は比較的容易に行えるものの、放出の際は外部から加熱する必要があり、発電所排ガスの二酸化炭素回収の場合では、生み出した電力の1割以上のエネルギーを消費してしまうという欠点がありました。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

このような中、必要なときに必要なだけ固体材料に二酸化炭素を吸着させ、濃縮したものを外部制御で脱離・放出させられれば、画期的なものとなります。このようなコンセプトのもと、早稲田大学と韓国のHanyang大学が連携した国際共同研究によって、構造を制御した固体酸化物材料に外部から電位を与えることで二酸化炭素を選択的に吸着することや脱離させることができることを理論的に明らかにしました。

(3)そのために新しく開発した手法

今回、希土類の酸化物に異種の元素をドープ^※1した材料を用いて、外部から直流の電位をプラスとマイナスのそれぞれで与えた場合の、二酸化炭素の吸着と脱離を詳細に解析しました。その結果、図に示すようにセリウム酸化物という材料に異種の金属を導入した材料を用いて、プラスの強い電位（電流は流さない）を与えた場合に二酸化炭素が選択的に吸着し、マイナスの電位に切り替えると二酸化炭素が脱離することを理論的に明らかにしました。

(4)研究の波及効果や社会的影響

この発見は、これまでの液体を用いた二酸化炭素回収とは異なる、乾式・小型でオンデマンド駆動が可能な二酸化炭素回収・濃縮プロセスを実現できる可能性を示しています。このようにして得た二酸化炭素を再生可能エネルギーなどと組み合わせて再利用あるいは固定化すれば、化石資源消費を削減した社会の実現に一歩近づくことができます。

(5)今後の課題

本研究はコロナ禍の中での国際共同研究のため、理論化学での検討によりこのような現象が起こりうることを明らかにできましたが、今後は実際にこの材料を用いた二酸化炭素のオンデマンド回収装置を稼働させて、従来に比して低いエネルギーで回収・濃縮が可能なことを実証していきたいと考えています。

(6)研究者のコメント

二酸化炭素の回収に要するコストは、1トン当たり排気ガスからだと2000-5000円程度、大気からだと20000円程度以上かかると言われています。かつ装置が液体を用いた回収と加熱による再生からなり、大型で小回りがきかないものでした。本発見をベースに小型のオンデマンド駆動可能な乾式の二酸化炭素回収装置を実現させ、高効率で必要なときに必要なだけ二酸化炭素を回収・濃縮することができればカーボンニュートラルに資する新たな技術となります。

(7)用語解説

※1　元素のドープ
酸化物の構造をつくる元素に対して、違う元素を微量置き換えて入れることにより、酸化物の構造を歪ませたり性能を向上させることができる手法のこと。

(8)論文情報

雑誌名：Physical Chemistry Chemical Physics
論文名：Theoretical investigation of selective CO₂ capture and desorption controlled by the electric field
執筆者名（所属機関名）：Koki Saegusa^＊1, Kenshin Chishima^＊1, Hiroshi Sampei^＊1, Kazuharu Ito^＊1, Kota Murakami^＊1, Jeong Gil Seo^＊2 and Yasushi Sekine^＊1
＊1　早稲田大学
＊2　韓国Hanyang大学
掲載日（現地時間）：2022年10月26日
掲載URL：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CP/D2CP04108A
DOI：10.1039/D2CP04108A

(9)研究助成

研究費名：JSPS二国間共同研究
研究課題名：電場アシスト二酸化炭素捕捉メカニズムの研究
研究代表者名（所属機関名）：Prof. Jeong Gil Seo（韓国Hanyang大学）

2022 年度 NEDO の公募研究開発プロジェクト事業に採択

海水を用いた有価物併産カーボンリサイクル技術実証と応用製品の研究開発を目指す

発表のポイント

カーボンニュートラルの実現に向けて、CO2 を分離回収し資源として有効活用するカーボンリサイクル技術はキーテクノロジーとして位置づけられています。

カーボンリサイクル技術の2030年実用化を目指し、海水を起点とした炭酸マグネシウムへのCO2固定化技術についてパイロットスケールでの試験を実施します。

高品質な有価物の併産と主力である炭酸マグネシウム派生製品の実用化を通して、カーボンリサイクル技術の早期社会実装を目指します。

2022年10月26日、学校法人早稲田大学（東京都新宿区、理事長：田中愛治）理工学術院の中垣隆雄（なかがきたかお）教授をPM（プロジェクトマネージャー）とし、同大理工学術院の秋山充良（あきやまみつよし）教授らの研究グループ（以下、本研究グループとする）と、株式会社ササクラ（本社：大阪府大阪市、代表取締役社長：笹倉敏彦）の島田統行（しまだのりゆき）らによる提案が、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下、NEDOとする）による「カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／CO2有効利用拠点における技術開発／研究拠点におけるCO2有効利用技術開発・実証事業」（実証研究エリア）において、プロジェクト「海水を用いた有価物併産カーボンリサイクル技術実証と応用製品の研究開発」（以下、本プロジェクトとする）として採択されました。

本プロジェクトでは、広島県・大崎上島の実証研究エリアにおいて供給される石炭ガス化複合発電由来のCO2と、20トン／日の海水を用いてカーボンリサイクル技術のパイロットスケールの試験を実施します。あわせて、CO2を炭酸マグネシウムとして固定化し、コンクリート用の人工細骨材や壁面材として利用するための製造法も同時に開発します。

(1) これまでの研究で分かっていたこと（研究の背景）

CO2 を分離回収し資源として有効活用するカーボンリサイクル技術は、日本政府によって2021年6月に策定された「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」^*1において、カーボンニュートラル社会を実現するためのキーテクノロジーとして位置付けられています。2021 年7 月にはカーボンリサイクル技術ロードマップ^*2も改訂されています。

カーボンリサイクル技術の2030 年の実用化に向けて、当該技術の開発を効率的に進めることを目指し、石炭ガス化複合発電の燃焼前分離としてCO2が回収されている大崎クールジェン（広島県・大崎上島）に付設された研究拠点において、CO2 有効利用に係る要素技術開発および実証試験を行い、経済性やCO2 削減効果などの評価がなされています。

(2) 今回のプロジェクトで新たに実現しようとすること

本研究グループと株式会社ササクラは、日揮グローバル株式会社とともに、NEDOの2020年度公募プロジェクト「カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／CO2排出削減・有効利用実用化技術開発／炭酸塩、コンクリート製品・コンクリート構造物へのCO2利用技術開発」（以下、前プロジェクトとする）に採択され、2020～2021年度にかけて実施して参りました。

※参考：研究開発テーマ「海水および廃かん水を用いた有価物併産CO2固定化技術の研究開発」
（2020年7月15日プレスリリース、https://www.waseda.jp/top/news/69663）

前プロジェクトでは、海水を用いて軟水・高純度石膏・芒硝・食塩・カリウム肥料などの有価物を併産しつつ、塩化マグネシウムの水和物を経由して酸化マグネシウムを得て、CO2を含むガスとの気固接触によって炭酸マグネシウムとして固定化するまでの工程をベンチスケールの試験設備で成功させました。

今回のプロジェクトでは前プロジェクトによる成果を基に、大崎クールジェンの実証研究エリアにおいてパイロットスケールに拡大し、以下の項目に取り組みます。

• 現地の回収CO2と20トン／日の海水を起点として、前事業で開発した共飽和法とビーズミルによる研削鉱物化法を中心とした新プロセスを採用し、炭酸マグネシウムへのCO2固定化技術を実証します。
• 得られた炭酸マグネシウムは新開発のコンクリート用の人工細骨材のほか、壁面材などの建築材へ利用し、それらの製造法も同時に開発します。
• 国内火力発電所に付設された海水淡水化プラントを想定し、同発電所のCO2分離回収システムと組み合わせたCO2固定化の熱物質収支および経済性評価に関するフィージビリティスタディを実施します。

(3) このプロジェクトにより期待される波及効果

本プロジェクトでは、炭酸マグネシウムとして半永久的にCO2を固定化できるカーボンリサイクルの実現に大きな一歩となります。また、フィージビリティスタディを通して、構築するプロセスに関するCAPEX および OPEXなどの経済性評価、併産品およびカーボンリサイクル製品の市場性の評価、これらの市場性も考慮したCO2削減効果など具体的に検討します。また、経済性・市場性評価やCO2削減効果の結果を示すことで、カーボンリサイクル技術の収益化による早期社会実装につながることが期待されます。さらに、気候変動によって増加が見込まれる海外の淡水需要にも対応するとともに、現地のカーボンニュートラル化にも貢献します。

(4) 各機関の役割

早稲田大学
（協力企業）吉野石膏株式会社

中垣研究室

プロセス運転条件のファインチューニングを担当。特に最終製品に必要な炭酸マグネシウムの結晶構造を得るために、塩化マグネシウム水和物の熱分解と気固接触による炭酸塩化のプロセスを改良。得られた高純度石膏、炭酸マグネシウムは吉野石膏（株）にて試作品製造および品質評価を実施。

秋山研究室

炭酸マグネシウムを高い割合で含むコンクリート開発を担当。特に炭酸マグネシウムなどを用いた人工細骨材を開発し、従来のコンクリート製品と同等以上の強度発現の配合条件を探求。

株式会社ササクラ

広島県大崎上島の研究拠点において、海水20トン／日のプラントのEPC（エンジニアリング、調達、および建設設置）および連続運転を担当。また、塩酸発生抑制や炭酸カルシウム併産などオプショナルなプロセスも同時に開発・実証することで、技術ラインナップを強化。燃焼後のCO2分離回収付き国内火力発電への適用を想定したフルスケールプラントのフィージビリティスタディも実施。

 (5) 中垣PM(プロジェクトマネジャー)のコメント

CCUS^*3は、カーボンニュートラルの実現において、当面依存せざるを得ない化石燃料由来のCO2に対して有力な解決策です。カーボンリサイクルはその中核技術であり、グリーン成長戦略の14テーマの一つとしても位置づけられています。一方、CO2フリー水素の利用を前提としたカーボンリサイクル製品は、コストや追加的なエネルギー消費などの観点で旧来の同等製品を代替するには時間がかかるとされ、間近に控えた2030年には先導的な役割として、水素を用いない炭酸塩などのカーボンリサイクル製品開発が期待されています。

海水淡水化プラントの廃かん水を用い、塩化マグネシウム／酸化マグネシウムを経由して炭酸マグネシウムへCO2を固定化する技術は2015年に中垣研究室が原案を開発しています。その後、早稲田大学西早稲田キャンパス（東京都新宿区）でのベンチスケール試験を経て、パイロットスケールレベルの実証試験着手に今回ようやく到達しました。高品質な有価物の併産と主力である炭酸マグネシウム派生製品の実用化を通して、カーボンリサイクル技術の早期社会実装を目指すとともに、海外の水資源の確保が困難な地域に対して、水供給とCO2固定化の一石二鳥で貢献していきたいと考えています。

※IEA（国際エネルギー機関）が主催するGHGT-14（2018年10月メルボルンにて開催）にて初めて発表、Proceedingsは2019年4月公開。「Feasibility Study of Net CO2 Sequestration Using Seawater Desalination Brine with Profitable Polyproduction of Commodities」https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=3365716##（特願2019-080243「二酸化炭素の固定化方法」特許出願済み。）

(6) 事業名称情報

事業名称：NEDO　カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／CO2有効利用拠点における技術開発 ／研究拠点におけるCO2有効利用技術開発・実証事業（実証研究エリア）
テーマ：「海水を用いた有価物併産カーボンリサイクル技術実証と応用製品の研究開発」
実施期間：2022年度から2024年度までの3年間
（参考）カーボンリサイクル・次世代火力発電等技術開発／CO2有効利用拠点における技術開発／研究拠点におけるCO2有効利用技術開発・実証事業」（実証研究エリア）に係る実施体制の決定について　https://www.nedo.go.jp/koubo/EV3_100252.html

 (7) 参画（共同研究）基幹・研究者情報

学校法人早稲田大学
理工学術院創造理工学部総合機械工学科　中垣隆雄　教授
理工学術院創造理工学部社会環境工学科　秋山充良　教授

株式会社ササクラ
　研究開発部研究開発室　室長　島田統行

 (8) 用語解説

*1: 「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」

日本政府によって2020年10月に、2050年カーボンニュートラルを目指すことが宣言されています。そこで、2050年カーボンニュートラルの達成のために、2021年6月に経済産業省を中心とした関連省庁が一体となって、経済と環境の好循環を作っていく産業政策＝グリーン成長戦略が策定されました。「イノベーション」を実現し、革新的技術を「社会実装」することを目指し、成長が期待される14の重点分野を選定。それぞれに高い目標を設定し、日本の新たな成長戦略として捉えられています。
※参考）経済産業省　https://www.meti.go.jp/policy/energy_environment/global_warming/ggs/index.html

 *2: カーボンリサイクル技術ロードマップ

2019年6月に経済産業省が中心となって策定した、カーボンリサイクル技術に関する目標、技術課題、タイムフレームを設定し、その拡大・普及の道筋を示しイノベーションの加速化を目的としたもの。2021年6月に「2050年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略」が策定されたことの基づき、2021年7月に一部改訂されています。改訂においては、①進展のあった新たな技術分野（DAC、合成燃料）を追記、②カーボンリサイクル製品（汎用品）の普及開始時期を2040年頃に前倒しし、③国際連携の取り組みが追記されています。
※参考）経済産業省　https://www.meti.go.jp/press/2021/07/20210726007/20210726007.html

*3: CCUS

「Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage」の略で、発電所や工場などから排出されたCO2を分離回収し、そのCO2を地下貯留あるいは炭素を含む製品に利用しようという取り組みです。国内では、北海道苫小牧市において30万トンのCO2が地下に圧入されています。また、CO2を原料として，例えば航空機用の合成燃料（Sustainable Aviation Fuel、SAF）などに利用するプロジェクトなどが進んでいます。
※参考）資源エネルギー庁　https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/ccus.html

文部科学省卓越大学院プログラム
『パワー・エネルギー・プロフェッショナル(PEP)育成プログラム』
6期生(2023年4月進入・編入）募集説明会
＜日時＞
2022年12月5日（月）12:15～12:50
＜形式＞
Zoomオンラインミーティング
申請フォームより参加登録していただいた方にURL等詳細をメールでお送り致します。
＜申込＞
https://bit.ly/3eKXk9X
申込締切：12月5日（月）10:00まで
＜問合せ＞
PEP卓越大学院プログラム事務局（51号館1階理工統合事務所内）
TEL：03-5286-3238
Email：[email protected] 

PEP6期生募集説明会チラシ

＜ご参考＞ PEP卓越大学院プログラムHP　https://www.waseda.jp/pep/

早稲田大学経営デザイン専攻　公募要領

【PEP卓越大学院プログラム】
2023年1月実施SE (2023年4月進入・編入）選抜試験　募集要項等情報更新致しました。(2022.09.28)
https://www.waseda.jp/fsci/admissions_gs/guidelines/pep/　よりご確認ください。

～早稲田大学と佐賀県唐津市との交流事業～

2022年9月10日（土）、佐賀県唐津市に所在する早稲田佐賀中学校・高等学校を会場として「子ども科学教室2022」を開催しました。

唐津市と早稲田大学共催の「子ども科学教室」は今年で第12回目を迎え、今年は唐津市内の小学生を対象に実施しました。コロナ禍ではありましたが、ありがたいことにたくさんの参加がありました。

～唐津城の麓にある早稲田佐賀中学校・高等学校～

佐賀県は、早稲田大学の創立者・大隈重信の出身地。また、2010年には、同県唐津市に早稲田大学系属校の早稲田佐賀中学校・高等学校が開校しました。そんな早稲田大学とゆかりの深い佐賀県唐津市のシンボル、唐津城の麓に早稲田佐賀中学校・高等学校は所在します。

大隈重信像と唐津城（早稲田佐賀中学校・高等学校内）

～「レンズを作ろう！～ゆがみのないレンズ～」～

「レンズを作ろう！～ゆがみのないレンズ～」と題して、光の性質とレンズの仕組みを学ぶ実験教室を実施しました。日頃、理工系学部の大学生に実験指導をしている技術職員が小学生向けに開発したプログラムです。

まずは、光の性質とレンズの仕組みについて、図や簡単な実験を通して学習しました。

そして、光やレンズについて理解を深めた上で、実際に非球面レンズを加工し、世界に一つだけのオリジナル虫眼鏡を作成しました。

技術職員によるマンツーマン指導のもと、実際に小学生自らの手で工作機を扱い、アクリルを切削し、レンズの形に加工しました。ここで使用した工作機は、大学の授業で実際に使用している早稲田大学独自のものです。誰一人怪我無く、みんな上手にレンズを削ることができました。

続いて、切削加工したレンズを研磨粉でとことんピカピカに磨きます。大人でも根気の必要な作業ですが、子供たちは全力でとことん磨き上げてくれました。

綺麗なレンズの完成！！そして、技術職員特製の専用ホルダー（３Dプリンターで作成）に入れて、虫眼鏡の完成！！しっかり学び、見事なレンズを作成された参加者の皆様には、修了証と早稲田大学実験教室特製クリアファイルが贈呈されました。

　
今回の科学教室で、五感を使って楽しみながら行ったこの実験が、唐津市の子どもたちにとって、将来につながる貴重な経験となれば幸いです。

［記事作成：教務部高大接続推進課、理工センター技術部］

3月に予定されていました香村一夫教授の最終講義は、コロナウイルス感染拡大の影響で延期しておりましたが、以下の要領で開催することになりました。 

開催日時

2022年10月9日(日)　14:00～15:30（13:00受付開始）

題目

「環境研究と私」

対象

環境資源工学科卒業生、大学関係者（教職員・学生）、学会・同窓会関係、ご友人の方々、　ほか 

開催方法

対面での聴講およびオンライン 

会場

• 対面講義：早稲田大学理工キャンパス55号館大会議室 
• リモート講義：ZOOM によるオンライン配信 

聴講申込方法

対面・オンライン聴講ご希望の方は、申込フォームよりご登録ください。ご登録いただいた方には、開催日が近づきましたら、オンライン講義への接続方法をご案内します。 

聴講申込締切

10月2日（日）

問い合わせ先

早稲田大学創造理工学部環境資源工学科事務室

早稲田大学国際理工学センター教員公募

早稲田大学国際理工学センター教員公募

早稲田大学環境資源工学科教員公募

早稲田大学生命理工学専攻教員公募要領

2022年度オープンキャンパスを8/6（土）、7（日）の両日に開催します。当サイトではオープンキャンパス当日の来場型企画およびオンライン（リアルタイム）型企画に関する情報のほか、各学部／学科の特色や概要、模擬講義、研究室紹介等の映像コンテンツをご紹介します。各学部／学科の公式ウェブサイトと併せてご覧ください。また、「VRキャンパスツアー」では、理工学術院のある西早稲田キャンパスを、バーチャル・リアリティ映像でご紹介します。

※来場型企画とオンライン型企画は、すべて事前予約が必要です。予約管理システム「早稲田大学オープンキャンパス2022」よりお申込みください。（7/7受付開始）

・各企画の内容や実施会場、定員等の詳細につきましては、予約管理システム上でご確認ください。

タイムテーブル、予約はこちらから

来場型企画参加希望者の皆様へ

来場型企画は午後のみ実施します。

実施時間：13:20～17:00

開門時間：12:50～（明治門・西門のみ開門）

※開門時間前はキャンパス内には入場できません。ご注意ください。

※キャンパス間  連絡バス時刻表はこちらから

オンライン（リアルタイム配信）型企画参加希望者の皆様へ

オンライン型企画は9:00～17:00で実施します。

オンライン企画参加を申し込む方は、以下についてご注意ください。

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理工学術院紹介動画（日本語版）

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受験生Q&A

基幹理工・創造理工・先進理工の各学部によくお寄せいただくご質問について、回答をQ&Aの形で公開します。

Ｑ．基幹理工学部の学系制度はどのようなものですか。

Ａ．１年次は全員が共通カリキュラムを勉強することで、十分な基礎学力や学科を越えた人脈なども得ることができます。また、入学の前と実際に大学の学びに触れた後で、志望する学科が変わる学生も少なくありませんが、本制度により２年次の学科選択時に本当に学びたい学科に進級することが可能となります。更に詳しい説明は以下のページをご参照ください。

https://www.fse.sci.waseda.ac.jp/exam/

Ｑ．空間表現の試験内容はどのようなものですか。

Ａ．「空間表現」試験に関するご案内を建築学科のWebサイトにて公開しております。以下のページをご参照ください。

https://www.arch.waseda.ac.jp/wa/dear#sec05

Ｑ．総合型選抜入試はどのようなものがありますか。

Ａ．理工学術院において実施している総合型選抜入試は、以下の２入試が該当いたします。

◇早稲田建築AO入試（創成入試）

創造理工学部建築学科のみ実施。９月の出願となり、書類選考、筆記試験、面接試験で合否が決まります。

◇特別選抜入学試験

先進理工学部（一部学科）のみ実施。出願にあたり、数学オリンピックや化学グランプリ等での実績が必要となります。書類選考と面接試験を実施いたします。

※上記２つの入試については、以下のページで出願時期や試験に関する詳細をご確認ください。

https://www.waseda.jp/fsci/admissions_us/

Ｑ．サークルはどのようなものがありますか。学業との両立はむずかしいですか。

Ａ．早稲田大学には約500の公認サークルがあり、あらゆる分野での活動をしています。理工の多くの学生のみなさんも学業とサークルを両立し、学生生活を楽しんでいますので、ご安心ください。サークルの中には、理工の学生が中心のサークルも多数あります。

https://www.waseda.jp/inst/weekly/circleguide/

Ｑ．キャンパスを見学したい場合、どうしたらいいですか。

Ａ．キャンパス見学については、現在受付しておりませんが「VRキャンパスツアー」のコンテンツを、本特設ページに掲載しております。学生ガイドによる解説もありますので是非ご覧ください。

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