CO₂から生まれ、肥料と原料へ還るプラスチックシステム～炭素と窒素を循環利用する新しい高分子資源循環系を実証～

千葉大学大学院融合理工学府博士前期課程 仁木陸翔氏 (研究当時)、同大大学院工学研究院 青木大輔准教授（同大園芸学研究院附属宇宙園芸研究センター兼任）、谷口竜王教授らの研究グループは、東京大学 神谷岳洋准教授、京都大学 喜多祐介特定准教授、田村正純教授らと共同で、二酸化炭素（CO₂）を原料としてモノマーおよび架橋剤を直接合成し、架橋型脂肪族ポリカーボネート材料を創製しました。本材料はソフトマテリアルとして利用可能であるだけでなく、使用後にアンモニア水で処理することで、植物肥料である尿素とモノマーと架橋剤の前駆体へ分解できます。さらに、得られた分解生成物から再びCO₂を用いて元のモノマーと架橋剤を再生することにも成功しました。本研究では、CO₂由来炭素を高分子材料として利用・再生する「炭素循環」と、アンモニアによる高分子分解を通じて窒素成分を尿素肥料として利用する「窒素循環」を統合した、新しい高分子資源循環システムを実証しました。

本研究成果は2026年6月18日に学術誌Journal of CO2 Utilizationにオンライン掲載されました。

研究の背景 現代社会に不可欠なプラスチックですが、廃棄物増加や化石資源依存、CO₂排出が社会課題であり、持続可能な資源循環型プラスチックおよびその分解・再資源化技術の開発が強く求められています。自然界では、炭素は大気中のCO₂から有機化合物へと変換され、窒素は土壌中でアンモニアやアンモニウム塩として植物に取り込まれ、栄養源として循環しています。そこで本研究では、このような炭素と窒素の循環利用を高分子材料へ導入することを目指し、CO₂由来の架橋型脂肪族ポリカーボネート材料に着目しました。脂肪族ポリカーボネート自体はCO₂を原料として合成可能であることが知られていましたが、その多くは線状高分子を対象としていました。一方、架橋構造を導入することで、ソフトマテリアルとして利用可能な高分子材料へ展開できることから、CO₂を用いた架橋剤の直接合成に取り組みました。これにより、モノマーから架橋剤に至るまでCO₂を原料として利用したソフトマテリアルの創製と、その使用後を見据えた資源循環系の構築を目指しました。

研究成果のポイント １．CO₂からのモノマーと架橋剤の直接合成に成功：酸化セリウム（CeO₂）触媒を用いることで、副反応を抑制しながらモノマーと架橋剤を効率よく合成にすることに成功しました。 ２．柔軟性と透明性を兼ね備えた自立フィルムの創製：モノマーと架橋剤を開環重合することで得られた架橋体は、透明かつ柔軟な自立フィルムとして形成され、ソフトマテリアルとしての利用が期待されます。 ３．アンモニア処理による尿素肥料への分解とCO₂を用いた原料への再変換：架橋高分子をアンモニア水で分解すると、尿素とモノマーと架橋剤前駆体が生成されました。さらに、植物実験から、分解生成物は混合物のままでも肥料効果を示し、前駆体からはCO₂とCeO₂触媒を用いて元のモノマー・架橋剤を再合成できました。これにより、炭素と窒素を循環利用する新しい高分子資源循環系を実証しました。

今後の展望 今後は、アンモニア分解条件や再資源化プロセスをさらに最適化することで、より実用的なケミカルリサイクル技術への展開が期待されます。また、架橋構造やモノマーを適切に設計することで、柔軟性や強度を調整可能なソフトマテリアルへの応用も期待されます。さらに、本研究では光を用いた材料形成にも成功しており、将来的には3Dプリンター用樹脂などの光硬化型材料への展開も期待されます。