CO₂を分離・回収し地下に貯留（CCS）または有効利用（CCU）を行う CCUS は、燃料転換や再生可能エネルギーの利用等による脱炭素化が困難な、いわゆる hard-to-abate 分野を中心とした利用が期待されている。本講演では、まずカーボンニュートラルの実現に向けた国内外の動向と、国内の政策におけるCCUS の位置付けについて整理する。その上で、CO₂ を資源として利用し別の物質へと転換するカ ーボンリサイクル技術について、燃料、化学品及び鉱物化・炭酸塩化のそれぞれの分野におけるNEDOの技術開発・実証事業の事例を紹介する。

カーボンニュートラルを達成するためには再生可能電力を基盤としたエネルギーシステムを構築して、エネルギーやものづくりを行う必要がある。本講演では、2050 年以降の日本を想定してカーボンニ ュートラルに向けた水素エネルギーの将来像を「海外水素活用シナリオ」、「国内水素活用シナリオ」、「合成燃料活用シナリオ」に整理して検討した結果を紹介して水素及び電解技術の重要性を明確化するとともに、水素エネルギーシステムを構築するために必要な水電解技術の特性、これに対応するアルカリ水電解の起動停止耐久性の向上、水電解と水素エネルギーキャリア合成を同時に行うトルエン電解水素化電解の現状技術などを紹介する。

2050 年のカーボンニュートラル社会の実現に対して、カーボンリサイクルの観点から必要とされるP2C（Power to Chemicals）の成立が重要と考えられる。大気中や施設から排出された CO₂を分離回収し、再エネ等のグリーン電力で電解し、CO 製造する。CO は水素と反応させて有機材料や合成燃料などを生成できるため燃料や化成品の原料として供給・消費され、CO₂は製品として固定、あるいは燃焼して大気中に放散される。放散された CO₂ はDAC 又はBECC で回収することによりカーボンニュートラルが成立する。CO₂ 電解以外は実用化されているため、P2C を成立させるには、CO₂ 電解がキープロセスとなるが、従来の単セル型の CO₂ 電解装置は処理量が低く技術的成立性が困難であった。このため、年間百トンレベル以上の高スループット型電解装置の開発が必要であった。そこで、セルスタック型に適用できるように三相界面触媒電極を開発し、燃料電池の製造技術を適用することで、高スループ ット型CO₂ 電解装置を開発した。

産業技術総合研究所福島再生可能エネルギー研究所は 2014 年の開所以来、再生可能エネルギー（再エネ）の変動電力を活用するための様々な研究開発を行ってきた。中でも、実用化を目指してラボスケ ールを超える比較的大きな規模の装置を導入し、試験を繰り返すことで社会実装に向けた課題抽出、高効率、低コスト化に資するシステム構成や運転方法の検討を行ってきた。本講演では、再エネ変動電力を利用する 150kW クラスのアルカリ水電解装置の挙動や特性の検討、モデル化することでシミュレーションを行った例に加え、水電解で製造した水素を利用した水素キャリア製造に関する研究成果を紹介する。現在、グリーンイノベーション基金事業において、産総研で培ってきた電解技術やシステム化技術をベースに、日本の水電解装置開発の加速に貢献することを目指した大型水電解評価拠点構築を進めており、その拠点概要と評価手法構築の進捗状況についても紹介する。

電気化学的手法によるCO₂還元反応は、クリーンかつ常温常圧で進行することから、CO₂ の資源化技術として大きな注目を集めている。本技術の社会実装に向けては目的とする生成物を高選択かつ高速（高電流密度）で生成できる反応系の開発が必要である。CO₂ 電解の活性を決める因子は触媒・電極・電解槽・基質（CO₂濃度や不純物の有無）など多階層にまたがって複数あげられ、これらの各要素を適切に合わせこんでいくことが高効率化に向けては極めて重要である。本セミナーではCO₂ 電解に関する種々の要素技術に関する我々の最新の研究成果を紹介する。

商業化が加速されるアルカリ水電解（AWE）や固体高分子水電解（PEMWE）では，電極周りがそれぞれ高い OH⁻または H^＋濃度となり，極めて過酷な条件となるため，使用できる元素群が限られる．一方，非極 pH の水中では安価な材料群が使用できるが，反応により OH⁻または H^＋の消費・生成が起こり，容易にイオン拡散限界領域に達してしまう．カソードとアノード間のpH 勾配は，約 60 mV pH⁻¹ の過電圧ロスとなるため，高効率電解のためには，大電流密度領域でも pH 変化を最小化することが必須となる．特に1 A cm⁻² を超えるような大電流環境においては，実にpH 2-12 の広域なpH（非極pH と定義）において濃厚緩衝液の利用が必須となる．我々は濃厚緩衝液のような電解質のコンディショニングの重要性を電解質エンジニアリング（Electrolyte engineering）として提案し，基本要素を定量的に議論してきた．特に重要な特性の一つが電解質の粘度であり，拡散定数と導電率に大きく影響を与える．さらに前述のpH 勾配によるロスの最小化には，各緩衝イオンの pKa に合わせた水を利用することが有効である．このように非極 pH には電解質エンジニアリングの知識を活用した濃厚緩衝液を決定し，新規に決定される電解質環境で高活性で高安定な触媒開発を合わせて行うことが重要である．

CO₂ 電解プロセスは、カーボンニュートラル社会実現に資する電気化学技術として期待されている。これまでの精力的な研究により、CO₂電解プロセスの電流効率・電圧効率は飛躍的に向上してきたが、そのほとんどが電極触媒材料開発によるものである。一方、これまでほとんど注目されてこなかった、電気化学反応場を構成するもう一つの要素である「電解液」に着目し、CO₂電解プロセスを制御する研究が近年増えつつある。本講演では、CO₂電解プロセスを構成する電気化学反応（CO₂還元反応と水の酸化反応）への電解液の影響について、我々が開発してきたオペランド界面観察技術を用いて解析した結果を紹介する。

プロトン交換膜型（PEM）水電解は近年、グリーン水素の製造手段の１つとして注目されている。再エネのような変動電源による水電解を世界的にGW を超えるレベルで実装していくためには、コスト・資源・性能・耐久性等の面でまだ様々な課題があり、PEM 水電解においても再エネ条件での劣化メカニズムの解明や性能評価法、開発加速に資する加速試験法などが求められている。本講演では、資源制約により使用量の大幅な低減（≒質量活性の大幅な向上）が求められているイリジウム系触媒のハーフセルによる簡易活性評価法や、耐久性向上に向けた基礎的知見となる電解セルの劣化要因や金属イオン等の不純物影響の評価に向けた取り組み、電位サイクルによる加速劣化試験法開発等について紹介する。

電解合成反応は，固体触媒反応に比較して温和な条件で進行し，エネルギー的に遡る反応も可能であり，反応的には圧倒的に有利であるが現実の化学プロセスでは反応は限られている．この理由は，熱に比べ電力が高価であるだけではなく，反応物，支持電解質，溶媒，電極材料，メディエータなどの組み合わせの制限，電解反応液からの目的生成物の分離の困難さがある．化学プロセス全体として評価した場合，電解合成法は固体触媒法と比較してコストが高く，かつスケールアップが困難と評価されている．そこで固体高分子電解質膜(SPE)を電解反応利用すれば，固体触媒と同じように不均一系反応として取り扱えるため，電解系からの反応生成物の自動分離が可能となり化学プロセスとして大きな利点となる．このSPE 電解をCO₂還元に適用する場合の課題は，還元活性を示す電極触媒が開発できるかどうかであり，この点について解説する．

田中貴金属工業株式会社では、2012年よりPEM形水電解触媒の開発および製造を行っている。本講演では田中貴金属における水電解触媒の開発状況について述べる。特に、結晶構造の異なる2種類の酸化Ir （アモルファス型IrO_x、ルチル型IrO₂）触媒を用い、初期および耐久性能評価、耐久試験前後の触媒キ ャラクタリゼーションを実施し、触媒高活性要因および劣化要因について考察する。また新規開発触媒（耐H₂ クロスリーク触媒）についても紹介する。

電解セルに限らずあらゆる電気化学デバイスは時間的・空間的な階層構造から成り、これらの階層構造が複雑に関連した反応過程がセル特性に大きな影響を及ぼす。そのため、特性向上には、動作中の電気化学セル内部で起こっている現象を十分理解して対策を立てる必要があるが、反応不均一性や非平衡現象（動的挙動）は、汎用分析技術のみでは理解できない。本発表では、放射光を活用した電気化学セルの“その場”“マルチスケール”計測についての当社の取り組みの概要と、H₂O 電解とCO₂ 電解のオペランド放射光計測の最近の研究例を紹介する。

アニオン交換膜を用いたアルカリ水電解（AEMWE）は、アルカリ水電解（AWE）の利点（貴金属触媒が不要、大規模化が容易）とプロトン膜型水電解（PEMWE）の利点（高電流密度が可能、変動に対する応答性が高い、高純度の水素が得られる）を併せ持ち、現在実用化されているPEMWE と比較して高効率化と低コスト化を両立できる高い可能性を持っている。しかし、これまで耐久性に優れるアニオン膜（AEM）およびそれと組み合わせて高性能を発揮できる非貴金属系の電極触媒がなく、新材料の開発が世界中で進められている。本講演では、AEMWE の高性能化と高耐久化を目指した AEM に関する筆者らの取り組みについて紹介する。