『ネイチャー』、中国の石炭からのオレフィン製造における画期的な大成果を確認：高効率かつ低消費

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『ネイチャー』、中国の石炭からのオレフィン製造における画期的な大きな進展を確認：高効率かつ低消費量　著者／出典：日付：2016年3月7日　クリック数：16　最近、国際的に権威のある『ネイチャー』誌が、中国の科学技術におけるまた一つの大きな進展を確認しました。 3月4日、全国人民代表大会の代表であり、中国科学院大連化学物理研究所（以下「大連化物所」と略）の研究員で、中国科学院の院士でもある包信和が、この最新の研究成果を明らかにした。 　　報道によると、包信和院士（現・復旦大学常務副学長、教授）および潘秀蓮研究員が率いるチームは、石炭ガス化による直接オレフィン製造の研究で大きな突破口を見出しました。これにより、90年以上にわたって石炭化学工業で用いられてきたフェッチャー・トロプシュ法（略称：F-T法）が覆されました。彼らは、水消費量とエネルギー消費量が多い水素製造の水素化ガス変換法を捨て、石炭ガス化によって得られる合成ガス（精製されたCOとH2の混合ガス）を直接利用し、新しいタイプの複合触媒の作用によって、高選択性を持って一歩で低炭素オレフィンを得ることに成功しました。これにより、従来の石炭化学工業における触媒反応において存在した、活性と選択性が交互に優先されるという問題が解決され、効率的な触媒や触媒反応プロセスの設計に向けた指針が提供されました。この成果は業界において「石炭変換分野における画期的な大きなブレークスルー」と称賛されている。 『ネイチャー』、中国の石炭からのガス製造における画期的な大きな進展を確認：高効率かつ低消費。3月4日、北京で開催された全国会議において、中国科学院物理研究所の包信和院士がその成果を発表した。 　　オレフィンは、現代工業における最も重要な原材料の一つです。我が国のオレフィンは主に石油精製から得られており、コストや環境面での圧力が大きい。そのため、石炭化学工業を石油化学工業の代替とすることも、我が国が近年模索している新たなエネルギー開発の道筋の一つである。 　　この研究成果は3月4日にアメリカの『サイエンス』誌に掲載され、中国の発明特許および国際PCT特許も出願されている。『サイエンス』誌の同号には、「驚くべき選択性」（Surprised by Selectivity）をテーマにした専門家による解説記事が掲載され、このプロセスが将来的に産業界において大きな競争力を持つと論じられている。 　　1923年、ドイツの科学者フィッシャーとトロプシュによって、石炭を合成ガスから高炭素化学製品や液体燃料に変換するフィッシャー・トロプシュ法が発明されました。このプロセスは完璧ではなく、大量の二酸化炭素が発生するだけでなく多量の水も消費し、生成物の選択性も低く、後処理にも多大なエネルギーが必要とされるが、国際的なエネルギー・化学業界では依然としてこのプロセスは代替不可能だと考えられている。 　　現在、このプロセスは中国科学院大連化学物理研究所の研究者たちによって覆されている。彼らは、水消費量とエネルギー消費量が多い水素製造の水ガス変換法を捨て、ガス化によって得られる混合ガス（精製済み）を直接利用することで、高い選択性をもって低炭素オレフィンを得ているのである。COの単程転換率が17％の場合、低炭素炭化水素生成物の選択性は94％に達し、そのうち低炭素オレフィン（エチレン、プロピレン、ブテン）の選択性は80％を超える。従来のフェート合成プロセスにおける低炭素オレフィンの選択性が最大58％であったという限界（SF限界）を打破した。 　　従来のフェッチャー・トロウプ（F-T）プロセスでは、金属（還元状態）が触媒として使用される。CO分子は金属触媒表面で活性化されてC原子とO原子に解離し、これらのC原子とO原子が触媒表面に吸着している水素と反応してメチレン（CH2）中間体を形成し、同時に水分子が放出される。メチレン中間体は、移動挿入反応によって触媒表面で自由重合し、炭素原子数が異なる（1個から30個、時には100個以上の炭素原子を持つ）炭化水素誘導体が生成される。全反応の炭化水素生成物は炭素原子数の分布が広く、目的生成物の選択性が低い。同時に、このプロセスでは金属触媒表面でのCOの分解によって生成したO原子を除去するために大量の水素が消費される。そして、この貴重な水素は水素化ガス変換反応（CO+H2O → H2+CO2）によって得られるものであり、この反応はエネルギー消費が多く、大量のCO2も排出される。 　　大連化学物理研究所の研究者らが開発したプロセスでは、部分的に還元された複合酸化物を触媒として使用する。CO分子は触媒の酸素欠陥部位に吸着し分解され、気相中の水素分子が分解で生成したC原子と選択的に反応してメチレンラジカルを生成する。一方、触媒表面でCOの分解によって生成した酸素原子は、別のCO分子と反応してCO2を形成する傾向がある。従来のF-Tプロセスとは異なり、酸素欠陥サイトで生成されるメチレンラジカルは、触媒表面に留まったり表面で重合反応を起こしたりすることなく、速やかに分子ふるいの孔道内に入り、その孔道内の限定された環境下で選択的なカップリング反応を行い、低炭素オレフィンを方向性を持って生成することで、**生成物の選択性が向上する。分子ふるいの孔径や酸性質を制御することにより、生成物分子の制御的な調整が可能となる。 『ネイチャー』、中国の石炭からのガス製造における画期的な大突破を確認：高効率かつ低消費量
この突破は、H2の代わりにCOを使用することで、炭化水素生成時に生じる余分な酸素原子を除去し、反応によってCO2の総排出量が変わらない状態で、エネルギーや水の消費が多い水素化ガス変換反応を不要にした。これにより、原理的に水の消費が少ない（構造上水の循環がない）新たな石炭変換の道が開かれ、**首相が常に懸念していた「水を使わず、または少なくして石炭化学工業を行うことは可能か」という問題に対して、成功裏に答えが出されたのである。 　　同時に、パオ・シンホー院士のチームは創造的なアプローチにより酸化物触媒と分子ふるいを複合化させ、COの活性化と中間体のカップリングという2つの触媒活性中心を巧みに分離することに成功した。これにより、従来のフィッシャー・トロップシュ法において「目的もなく、制約もなく」生成されていた「ラジカル」を分子ふるいという「ケージ」の中に閉じ込め、その挙動を制限することで、最終的に私たちが望む目的物質（低炭素オレフィン）へと変換させることができた。従来の触媒反応における活性と選択性が一方が高まれば他方が低下するという「シーソー」問題を解決し、高性能な触媒や触媒反応プロセスの設計に指針を提供した。 　　包信和院士チームの新発明は、節水や工程上でのCO2排出削減（工程の短縮、エネルギー消費の低減）に加えて、非常に高い経済的効果も持っています。中国石化工程建設有限公司（SEI）の初期評価によると、現在の条件の下では、このプロジェクトの内部収益率（IRR）は14％以上に達する見込みである。 　　“科学技術は「エネルギー革命」を支えなければならない。”バオ・シンホーは、国内外の多くの化学会社がこのプロセスのさらなる応用と普及に大きな関心を寄せていると述べた。慎重な評価と協議を経て、現在、大連化学物理研究所は国内の主要な化学企業や海外の有名な化学会社と初期合意に達し、触媒の製造やプロセス開発などの分野で共同で取り組むことにしている。これにより、できるだけ早く工業的実証や産業化を実現し、この独創的な成果を真の生産力へと変えていくことを目指している。 　　フィート法によるオレフィン製造（FTTO）の研究に20年以上携わってきたドイツのBASF社の専門家であるシュワブ博士は、このプロセスの概要を知った後、落胆してこう言った。「なぜこのアイデアは私たちが先に思いつかなかったのか？」”包信和院士は誇らしげに答えました。「皆さんはすでに多くのアイデアを思いついています。今度は私たちの番ですね」 　　この言葉を語る根拠は、優れた研究チームが数十年にわたって努力を続けてきたこと、そして中国の科学技術研究能力が日々向上していることにある。この研究だけでも、同チームは9年以上の時間を費やし、合肥の同步放射光源を含む国内の複数の研究機関と協力しながら、独自に開発したさまざまな高度な研究装置を使用した。この期間中、チームは複数の中国の発明特許および国際PCT特許を出願した以外、関連する研究論文を1本も公表していない。 　　関連するプロジェクトの研究は、**自然科学基金委員会、科学技術部、および中国科学院の戦略的先導科学技術プロジェクトによって資助されました。 原文の題目は：『ネイチャー』、中国の石炭からのガス製造における画期的な大きな進展を確認：高効率かつ低消費。 間違いなく間違っている、石炭製オレフィンのはずだ。