東京工業大学では現在、電圧をかけて実施する従来の「電解合成」とは別に、電気を使わずに機能性物質をつくり出せる新たな電解合成の研究を進行しています。では、電気を使わない電解合成とはどういったものなのでしょうか。
今回は、東京工業大学が研究中の最新の電解合成について、主な仕組みや動向について深掘りします。電気を使わずに化学反応を起こせる電解合成に、どのような魅力があるのか詳しく見ていきましょう。
東京工業大学で電気要らずの電解合成を研究中
新しい化合物を生み出すために利用されている「電解合成」は従来、電圧を加えることによって機能性物質をつくり出していました。そして今、東京工業大学では、電圧を使わない新たな電解合成の研究をスタートしました。
電圧を使わない電解合成に利用されているのは「バイポーラ電極」という仕組みであり、薄い電解液を髪の毛のように細い流路に流し込むことによって、自然と電位差が発生するという仕組みです。
化学試薬で起こらない反応を実現したり、副反応を抑えたりすることが可能になる
東京工業大学の物質理工学院で研究を進めている稲木教授は、上記のように回答しています。
電圧を供給する手間や費用を抑えられることから、これまでにない新たな電解合成の方法として注目が集まっています。
研究を進める物質理工学院の概要
東京工業大学の物質理工学院は、今までにない新たな物質・材料をつくり出すことに力を入れており、以下に示す項目における生活の質向上を目指して研究を進めています。
- 環境
- 資源
- エネルギー
- 健康
- 医療
物質工学院で実施されている研究概要を以下にまとめました。
| 工学院の構成 | 材料系・応用科学系 |
| 教育研究活動 | 国際連携 AOTULE SERP |
| 主な研究内容 | 新奇超伝導体・トポロジカル絶縁体の研究 ナノバイオ材料の開発 |
従来の電解合成とは
現在世界中で利用されている電解合成は、教育機関で学ぶ「水の電気分解」と似た仕組みをしているのが特徴です。例えば水の電気分解では、プラス・マイナスイオンの水溶液に電極を通し、電圧を流すことによって2つの化学反応を起こします。
対して電解合成も同様に、水溶液に電圧をかけることで新たな化合物を生み出します。
炭素といった有機物を入れて電圧をかけることによって、通常だと製造することができない化合物の合成ができるのが主な仕組みです。
海外で普及している従来の電解合成
電解合成の仕組みは、もともと日本が先進的に実施していた技術だったのですが、今では技術が世界に広がり、新たな化合物を生み出す手法として大流行しています。
例えば、電解合成に対応できる装置キットが販売され、専門知識とノウハウさえあれば誰でも化学反応を活用できる状況にまで進んでいます。特に近年では、電解合成を起こすために必要な電力を以下に示す「再生可能エネルギー」から生成している研究機関なども少なくありません。
- 太陽光発電
- 風力発電
環境に優しい電力で、技術分野・医療分野などに役立つ電解合成ができることから、カーボンニュートラルを目指す時代に合った対策だと考えられています。
カーボンニュートラルの目標を含め脱炭素社会の実現に向けた取り組みや、企業・大学の連携に関する情報が気になる方は、以下の記事をチェックしてみてください。日本国内で実施されている取り組みについて詳しく解説しています。
研究中の電解合成の仕組み
前述した、従来の電解合成と違い、東京工業大学で実施されている研究では電圧を使わずに新たな化合物を生み出せるのが特徴です。
研究で使われている「バイポーラ電極」では、マイクロ流路に有機溶剤・電解質を溶かした電解液を流し込むことによって、電位差を生じさせて電解合成を行います。この仕組みは「流動電位」とも呼ばれており、電圧を流すことなく新たな化合物を生み出せるのが魅力です。
最新の電解合成の研究状況
電圧を使わない電解合成の仕組みは現在研究中であり、トライアンドエラーを繰り返しながら着実に実用化に向けた研究が進んでいます。
例えば、過去に数十mVの流動電位を活用した科学研究などが実施されましたが、思うような成果を得られませんでした。一方で新たに東京工業大学で実施された研究では、有機溶剤・電解圧の種類・濃度を工夫し、電解溶液で反応が起こる流動電位の組み合わせを見つけ出したのです。
この研究の結果、芳香族化合物ピロールを溶かした有機溶剤を流路に流すことで、高分子の薄膜が析出されるとわかっています。また、別の電解質に変えると逆側にも薄膜が析出されるなど、電圧を使わない状態でも電解合成ができるということが発見されました。
電解合成の研究が進められている東京工業大学など、多くの研究機関では研究設備の最新化が進んでいます。研究業界を進化させるラボラトリーオートメーションに興味がある方は、以下の記事をチェックしてみてください。
電解合成のメリット
東京工業大学で研究されている電解合成には、今後の電解合成の仕組みを変えるさまざまなメリットがあります。なぜ、従来の電解合成よりも優れている点について詳しく見ていきましょう。
電圧を使わずに新たな化合物を生み出せる
最新の電解合成は従来の電解合成と違い、電気を流すことなく新たな化合物を生み出せます。
例えば、現在利用されている電解合成には膨大な電力コストがかかる一方で、最新の電解合成では、種類・濃度を調整した電解質を流路に流すだけで対応が可能です。
電解合成にかかるコストを抑えられることから、研究が実用化へと進めば、コストパフォーマンスに優れる電解合成のを実現できると期待されています。
電解合成の手順を簡易化できる
最新の電解合成で複数の化合物を生み出せるようになれば、従来の電解合成でかかっていた手順よりも効率よく電解合成ができるようになります。
特に今までは、風力発電など発電できる環境を整備し、そこから生み出された電力を使って電解合成を実施していました。一方で、最新の電解合成なら、設備を必要とせずに対応が可能です。
電圧をかけるか否かという違いを省略できるため、電圧装置などを必要とせずに新たな化合物を生み出せると注目されています。
電極のノウハウが不要となる
従来の電解合成の場合、電極の取り扱いに関するノウハウが必要であり、技術者が電解合成を実施できるようになるまで、一定の期間が必要でした。対して、電気を使用しない電解合成は、電気を使用しないため電極における「ノウハウ共有のコスト」を抑えやすくなります。
必要最小限の手順だけ理解すれば、基礎知識さえあれば手軽に電解合成を実施できます。
電解合成のハードルを下げられるというポイントも魅力的な点です。
電解合成を普及する課題
電解合成には、研究コストを抑えるメリットがある一方で、市場・ニーズに関わる点でまだまだ複数の課題を抱えています。今後、実用化というゴールを目指す際に、壁となる課題について見ていきましょう。
従来の電解合成からの移行が難しい
現在研究中の電解合成の仕組みは、電力を使用しない画期的な方法ですが、すでに普及している従来の電解合成の環境から移行するのが難しい可能性があります。
また、世界中で導入されている電解合成の設備が不要になるほか、新たな設備をつくるためのコストなどがかかるかもしれません。設備改築・改修といったコストで費用対効果を生み出せなければ、実用化しても導入が進まないといった壁が立ちふさがる恐れがあるでしょう。
研究の実用化に時間がかかる
新たな電解合成の仕組みが発見されたものの、現在はまだ研究中です。
また、実用化するためには数年～十数年の期間が必要になることも多く、まだすべての電解合成に対応できるのかについては判明していない状況です。
新しい仕組みには魅力が詰まっていますが、今後確実な活用を見出していくために、さらなる研究の継続と、実用化に向けたプランニングなどが必要になると考えられます。
最新の電解合成に期待されるポイント
電気を使用しない電解合成には、さまざまな事業での活用が期待されています。
ニュースでも語られている今後の活用の例を深掘りしていきましょう。
センシング機能への活用
電解合成はただ化合物を生成するために利用するのではなく、その仕組みをセンシング機能として活用することが可能です。
例えば、河川などに有害物質が流れた際に、川底などに設置された「電解合成機器」から、有害物質が流れてこないかという反応を示すセンシング機能への活用が期待されています。
通常では検知できないような物質の情報を、最新の電解合成で発見しやすくなることから、生活への安全性を高めやすくなるのではないかと考えられています。
海底での電解錬成
日本国内の海域には、海底熱水鉱床と呼ばれる有用元素が沈殿している海底が存在します。
そして現在、最新の電解合成を活用して、沈殿した元素を別の化合物へと還元して採取するできないかと検討が進んでいます。
通常だと採取・採鉱が難しい海底ですが、電解合成の仕組みを活用すれば、回収しやすい化合物へと変換できるかもしれません。電気を使用しないため、場所を問わずに電解合成ができることから、未知の領域である分野にも役立つのではないかと期待されている状況です。
電解合成についてまとめ
電解合成の技術は産業・医療のみならず、生活においても欠かせない重要な技術です。
従来の電解合成とは違い、東京工業大学で研究中の電解合成は、電力を必要とせずに新たな化合物を生み出せます。
化学反応にかかるコストを抑えられることはもちろん、場所を問わずに化学反応を起こしやすくなるのが魅力です。現在も研究が進んでいる魅力的な分野ですので、今後の動向から目が離せません。
