石炭ガス化直接オレフィン製造（石炭からのメタノール製造、メタノールからのオレフィン製造の終わり）

Thread Content

　最近、中国科学院大連化学物理研究所（以下、「大連化物所」と略称）の包信和院士および潘秀蓮研究員が率いるチームは、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ツラー・トロプシュ法（略してF-T法）という手法を覆し、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）をそのまま利用し、新種の複合触媒の作用によって高選択性を持つ一工程反応で低炭素オレフィンを製造することに成功した。この研究成果は3月4日にアメリカの学術雑誌『サイエンス』に掲載され、この反応プロセスは中国の発明特許および国際PCT特許として出願されている。この成果は、同業者から「石炭変換分野における画期的な大きなブレークスルー」と称賛された。この成果に関する研究は、**自然科学基金（21321002、21425312、21222305、91545204）などの支援を受けました。 　　ドイツの科学者フィッシャーとトロプシュは、1923年に石炭を合成ガスを経由して高炭素化学製品や液体燃料に変換するフィッシャー・トロプシュ法を発明しました。このプロセスは完璧ではなく、例えば大量の二酸化炭素が発生するほかに大量の水も消費され、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だが、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。今日、このプロセスは大連化学物理研究所の研究者たちによって覆された。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、高選択性をもって低炭素オレフィンを得ている。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。従来のフェッチャー・トーレンス合成プロセスにおける低炭素オレフィンの選択性が58％という限界（シュルツ・フローリー限界）を打破した。 　　従来のフィッシャー・トロプシュ（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）炭化水素系生成物を生み出す。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される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が排出される。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良く生成することで、**生成物の選択性が向上する。分子ふるいの孔径と酸性質を制御することにより、生成物分子の制御された調整が可能となる。 　　このブレークスルーは、H2の代わりにCOを用いることで炭化水素生成時の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、エネルギー消費量と水消費量が多い水素化ガス変換反応を不要にした。これにより、原理的に水消費量が少ない（構造的に水循環がない）形で石炭を変換する新たな道が開かれたのである。同時に、創造的な手法により酸化物触媒と分子ふるいを複合化することで、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し、従来のフィッシャー・トロプシュ法において「目的もなく自由に」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標生成物（低炭素オレフィン）へと変換させている。従来の触媒反応における活性と選択性が一方が高まると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。 　　新発明のプロセスは、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。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ます。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、触媒の製造や工程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ることを目指している。 　　この一つの研究だけで、そのチームは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科学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ました。