【コラム】Thorによる化学プロセスの脱炭素化
2021/04/22
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化学製造産業は、世界で生産されるエネルギーの約10%を消費しており、世界の炭素排出量の5%以上を占めています。ほぼすべての化学物質は、化石燃料の燃焼によって生成される熱エネルギーを用いて合成されており、これがこの分野からの大きな炭素排出につながっています。もし、大量のエネルギーや高いコストを必要とせずに炭素排出を削減する方法があったとしたら、どうでしょうか?そこで登場するのが、2021年Metrohm Young Chemist Award受賞者、ライアン・ヤンソニウス氏です。
ライアン・ヤンソニウス氏は、ブリティッシュコロンビア大学博士課程候補生であり、ThorTechの共同創設者です。彼は2016年、カルガリー大学で化学の理学士号(優等)を取得しました。その後、フォードとダイムラーの子会社であるAutomotive Fuel Cell Cooperationに入社し、水素燃料電池車用のイオン交換膜の開発に携わりました。UBCのBerlinguette研究室での彼の研究は、安価で豊富な再生可能電力を用いて、それ以外の方法では環境負荷の高い化学変換を推進する技術の開発を中心に行われてきました。ThorTechは、水と電力を用いて、バイオ燃料、医薬品、特殊化学品産業に関連する分子を水素化する、独自の膜反応器技術を市場に投入しようとしています。
Metrohm Young Chemist Award
メトロームは、イノベーションの精神を大切にしており、先駆的な若手研究者による革新的な研究の価値を信じています。Metrohm USAでは、若手研究者向けの年次コンテストを開催する伝統が、10年近くにわたって続けられてきました!毎年、5万米ドルの大賞を目指して、50~75件の応募が寄せられます。
社内外の審査員からなるパネルが応募内容を審査し、申請書の質問に対する応募者の回答を採点します。最終選考に残った候補者には、審査員から一連の追加質問が行われ、研究における自身の役割とその将来の可能性を要約するよう求められます。受賞者が選出され、その後PITTCONにて自身の研究を発表します。以下より、PITTCON 2021でのライアン氏の発表をご覧ください!
過去のMYCA受賞者たちは、その後も研究を継続し、賞金を用いて、そうでなければ諦めざるを得なかったであろう取り組みを行うことで、自らの視野を広げてきました。
Metrohm Young Chemist Awardについて詳しくはこちらをご覧ください!応募にあたってメトローム製装置を使用している必要はなく、受賞者選定にも一切影響しません。
化学産業の脱炭素化
ライアン氏のUBCでの博士研究は、化学製造の脱炭素化を実現する方法を見出すことに焦点を当てています。燃料、プラスチック、肥料、医薬品、特殊化学品の製造には多大なエネルギーが消費されており、これは全温室効果ガス排出量の5%を占めています。豊富な原料と再生可能電力のみを用いてこれらの有用な化学物質を製造する方法を開発することで、これらの排出を相殺できる可能性があります。
化学プロセスを脱炭素化するため、ライアン氏とそのグループは、化石燃料の投入を必要とする化学反応の代わりに、再生可能電力を用いて反応を推進できる反応器を開発しています。彼らが対象としている反応の種類は「水素化」と呼ばれ、複数の産業にわたる全化学製造の約25%で使用されています。水素化は、不飽和な化学原料に水素原子を付加する、単純な化学プロセスです。
通常、これを達成するには高圧・高温の水素ガスが必要であり、これは取り扱いが極めて危険です。従来の技術では、この目的のために資本集約的な水素化プラントが必要であり、この状況はほぼ1世紀にわたって変わっていません。
「Thor」と呼ばれるこの反応器は、水の電気分解によって水素を生成し、これが薄膜を通過して有機原料を水素化します。Thorを独自のものにしているのは、パラジウム膜を陰極、水素選択性膜、そして水素化触媒として同時に使用している点です。この構造により、電気分解は水系電解質中で進行する一方、水素化は有機溶媒中で媒介されます。その結果、両方の反応が効率的に進行します。
このプロセスは、化石由来のH2の使用、そして現在産業で使用されている従来型の熱化学水素化反応器に必要な天然ガスヒーターの使用を回避します。最終的な目標は、Thorを用いて、従来の方法よりもクリーンで安全、かつ費用対効果の高い方法で、再生可能ディーゼル、医薬品、そして数多くのバイオ由来特殊化学品を製造することです。
Thor(Tech)の伝説
「Thor」という名前はどこから来たのですか?
パラジウム-水素系の研究がきっかけとなり、Berlinguette研究グループは2018年にThor反応器を開発しました。この技術の発明者であるレベッカ・シェルボ氏(現在はハーバード大学の博士研究員)は、パラジウムの奇妙な水素吸収特性を研究した後、このアイデアを思いつきました。最初のセットアップとコンセプト実証は、タンデム水素化酸化反応器でした。現在は、対になった電気分解法の代わりに水の加水分解を水素源として使用していますが、その歴史を思い起こさせるため、この素晴らしい名前はそのまま残されました。 ThorTechとは何でしょうか?
ライアン氏と彼の研究チームが、自分たちのプロジェクトを一言で説明します:
環境に優しい技術の潜在的な商業的インパクト
Thorは、水を水素源として使用することで、従来の水素化方法における主要な課題を解決します。したがって、取り扱いや保管が難しい加圧H2ガスは、もはや不要になります。反応器内で有機原料に供給される水素原子の反応性は、数百気圧に相当する水準です。したがって、水由来の水素は、危険な試薬や高温を使用することなく、有機分子の水素化に使用することができます。電力を唯一のエネルギー源とすることで、再生可能な電力源と組み合わせれば、この装置をカーボンニュートラルにすることも可能になります。
なぜMetrohmを選んだのですか?
では、なぜ他のメーカーではなくメトロームを選んだのでしょうか?UBCのBerlinguette研究グループでの博士研究における、当社のポテンショスタットラインアップについての経験について、ライアン氏に伺いました。
私たちが研究室で使用しているポテンショスタットはすべて、メトローム製のポテンショスタットです。Thorを稼働させるために必要な高性能な、あるいは科学的な装置は、ポテンショスタット一台のみです。5、6チャンネルを備えた大型のマルチチャンネルポテンショスタットを1台所有しており、すべての反応をそれで実行しています。
Ryan Jansonius,
MYCA 2021 Winner and Ph.D. Candidate at University of British Columbia
Metrohmの電気化学装置について詳しくは、以下をご覧ください。
他社製のポテンショスタットと比べて際立っている点は、ユーザーインターフェースが本当に優れていることです。Metrohmのソフトウェアには多くのデフォルト手順が用意されており、カスタム手順の作成もほとんど頭を悩ませることなく行えます。これは素晴らしいことです。頭を使うべきは難しい作業のためであって、「装置のセットアップ」のためではありませんから。
Ryan Jansonius,
MYCA 2021 Winner and Ph.D. Candidate at University of British Columbia
その点について私たちも同じ意見です! Metrohm Autolab製ポテンショスタットについて詳しくは、Metrohm Autolabのウェブサイトをご覧ください。
次のステップ
Thorチームは現在、パラジウム使用量をより少なくした膜の開発、反応速度と効率を高めるためのフローセルの設計、そしてThorでより幅広い原料を水素化できるようにする触媒のスクリーニングに取り組んでいます。
もちろん、COVID-19のパンデミックは世界中の研究活動に影響を与えており、それは私たちのMetrohm Young Chemist Award受賞者にとっても例外ではありませんでした。研究室から離れて約半年を過ごした後、ソーシャルディスタンス対策により、ライアン氏は博士論文研究を終えることが困難になりました。もし実験が失敗すれば、出勤を交代制にする必要があったため、まる1週間分の作業が無駄になることもありました。最終的に、チームは研究を継続するため、近くにあるより広い空きスペースへと移動しました。
MYCA賞金はどのように使われますか?
博士号取得後、ライアン氏は、自らが貢献した研究を基盤としたスタートアップ企業ThorTechに全力を注ぐ計画を立てていました。しかしながら、大学院研究者からスタートアップ共同創設者への移行には、かなりの費用がかかります。
この賞金は、まさに絶好のタイミングで届きました!今まさに、[産業界への]移行がどれほど費用がかかるものかを痛感し始めているところです。
Ryan Jansonius,
MYCA 2021 Winner and Ph.D. Candidate at University of British Columbia
投資資金が入る前に、しばらく仕事を離れて会社の立ち上げに専念したいと考えており、この賞金はそれを実現する上で大きな助けとなります。さらに、学位取得後には少し休息を取り、英気を養う必要もあります!
ライアン氏は2021年5月、ブリティッシュコロンビア大学で博士論文の審査を受ける予定であり、私たちは彼の成功を心よりお祈りしております。ライアン氏と彼のチームの研究についてさらに詳しく知りたい方のために、以下に厳選された査読付き文献を掲載します。
追加文献:
- Sherbo, R.S.; Delima, R.S.; Chiykowski, V.A.; et al. Complete electron economy by pairing electrolysis with hydrogenation. Nat. Catal. 2018, 1, 501–507. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0083-8
これはThor反応器について発表された最初の論文です。
- Sherbo, R.S.; Kurimoto, A.; Brown, C.M.; et al. Efficient Electrocatalytic Hydrogenation with a Palladium Membrane Reactor. JACS 2019, 141, 7815–782. https://doi.org/10.1021/jacs.9b01442
Thorは、通常の電気化学的水素化方法を用いた場合と比較して、約65%高いエネルギー効率で水素化反応を実現します。
- Delima, R.S.; Sherbo, R.S.; Dvorak, D.J.; et al. Supported palladium membrane reactor architecture for electrocatalytic hydrogenation. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 26586–26595. https://doi.org/10.1039/c9ta07957b
この論文では、従来のパラジウム箔と比較してパラジウム使用量を25分の1に抑えたパラジウム膜の設計について記述されています。
- Kurimoto, A.; Sherbo, R.S.; Cao, Y.; et al. Electrolytic deuteration of unsaturated bonds without using D2. Nat. Catal. 2020, 3, 719–726. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0488-z
Thorは、有機分子の重水素化(重水を用いた水素化)にも使用することができます。この技術を説明する動画はこちらでご覧いただけます。
- Jansonius, R.P.; Kurimoto, A.; Marelli, A.M.; et al. Hydrogenation without H2 Using a Palladium Membrane Flow Cell. Cell Reports Physical Science, 2020, 1, 100105. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100105
この論文では、設計・検証されたスケーラブルなフローセル構造が示されており、水素化反応を15倍高速化し、効率を2倍に高めることが可能になります。
- Huang, A.; Cao, Y.; Delima, R.S.; et al. Electrolysis Can Be Used to Resolve Hydrogenation Pathways at Palladium Surfaces in a Membrane Reactor. JACS Au 2021, 1, 336-343. https://doi.org/10.1021/jacsau.0c00051
Thorは、膜表面にナノ粒子を堆積させることで、複雑な反応機構を解明するためにも使用することができます。
