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ライス大学の科学者たちは、拡張可能でエネルギー効率の高いプロセスにより、二酸化炭素を閉じ込める木材を製造する方法を発見した。

『Cell Reports Physical Science』誌に、「Functional wood for carbon dioxide capture」と題された論文の中で、研究者らは、小さな木片を接着して作られた、より持続可能な代替品であるエンジニアードウッドを用いて、周囲の空気から二酸化炭素(CO2)を隔離することで二酸化炭素排出量の削減に貢献する特殊な木材を開発する方法を提案している。

エンジニアードウッドは、従来の建材に代わる、持続可能で環境に優しい材料として登場したが、この木材は、反りや構造上の劣化が起こりやすく、寿命が短くなるのが課題だった。

研究チームはまず、トップダウン方式で、木材の色を出している部分を取り除き、階層的な多孔質構造を得ることから始めた。木材として一般的なバスウッドを水溶液で煮沸することで、木材の色や硬さを構成しているポリマーが除去される。すると、白くてしなやかな、セルロースの溝が広い素材が出来上がる。この工程は「脱リグニン」と言う。

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左から:未処理木材、脱リグニン木材、乾燥脱リグニン木材、CALF-20で処理した脱リグニン木材。(Credit: Rahman et al/Cell Reports 10.1016/j.xcrp.2023.101269)

「木材は、セルロース、ヘミセルロース、リグニンという3つの必須成分で構成されています。リグニンを取り除くと、木材は無色透明になります。リグニンの除去は、環境にやさしい物質を使った2段階の化学処理で、非常に簡単なプロセスです。リグニンを除去した後、漂白剤や過酸化水素水を使ってヘミセルロースを除去します。」と、ライス大学材料科学者のMuhammad Rahman氏は説明する。

木材を脱リグニンした後、Calgary framework 20(CALF-20)という有機金属骨格(MOF)の微小な破片を含む溶液に浸すのである。

「MOF粒子はセルロースの溝に簡単に入り込み、くっつきます」と、ライス大学の研究員でこの研究の主執筆者であるSoumyabrata Royは言う。MOFはその後、二酸化炭素を吸着する。

MOFは一般に、さまざまな環境条件下での安定性で知られているわけではない。特にMOFは湿気に弱い傾向があり、構造材料として避けるべきものであることは明らかである。

しかし、ライス大学の研究チームは、カルガリー大学のGeorge Shimizu教授らが開発したMOFであるCALF-20が、さまざまな条件下での性能と汎用性の点で他を凌駕していることを発見した。CALF-20は脱リグニンしたバスウッドのセルロースチャンネルに素早くなじむのだ。

更にこの人工木材の引張強度を測定したところ、通常の無処理木材よりも強く、曲げなどの環境ストレスにも耐えられることが判明した。また、この木材の製造工程は、拡張性があり、エネルギー効率にも優れているとしている。

Rahman教授らは、この人工木材は、鉄鋼やセメントなど、製造時に多くの温室効果ガスを排出する材料の代替品になると主張している。また、木材は生分解性があるため、建物の寿命が尽きるまで、より持続可能な材料となる。さらに、建設プロセスを通じて炭素をパッシブ(受動的)に捕捉できることも大きな特徴だ。しかし、この人工木材が実際に使われるようになるには、長期的な性能テストと商業的な実現可能性を検討する必要がある。


論文

参考文献

研究の要旨

地球規模の気候変動が進む中、CO2削減に貢献する多軸的な持続可能な構造体を革新する統合的なコンセプトが重要である。本研究では、高性能有機金属骨格(MOF)であるカルガリー骨格20(CALF-20)を用いたトップダウンアプローチにより、機械的性能を向上させた機能性木材構造を作製した。CALF-20を10%添加した機能性木材は、1気圧、303Kで0.45mmol/gの重量的容量を持ち、MOF添加量に比例してCO2を捕捉することができる。興味深いことに、機能性木材はCALF-20の規格化吸着容量の計算値を上回っており、これはメソポーラス木材フレームワーク、CALF-20の細孔形状変調、および有利なCO2取り込み相互作用に由来している。密度汎関数計算(DFT)により、CALF-20とセルロース骨格との強い相互作用が明らかになり、この相互作用が細孔形状とCO2物理吸着エネルギーを有利に変化させることが理解された。このように、私たちの研究は、CO2回収や構造物への応用が可能な持続可能な複合材料の開発への道を開くものだ。

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