合成ガスからのオレフィン直接製造において大きなブレークスルー

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合成ガスからの直接オレフィン製造において大きな進展　著者/出典：日付：2016年10月8日　クリック数：43　『ネイチャー』誌は10月6日、重要な研究成果を発表した。中国科学院上海高等研究院と上海科技大学の共同研究チームが、合成ガスからの直接オレフィン製造において大きな進展を遂げたのである。このプロジェクトの責任者は鍾良枢研究員で、上海大学、華東師範大学、中国科学院物理研究所、中国科学院化学研究所も一部の作業に参加している。 全く新しい触媒の活性サイト構造を採用することで、この研究は穏和な条件のもとで合成ガスから高選択性にオレフィンを直接製造することに成功し、合成ガスの触媒変換分野の発展に大きな意義を持つ。同時に、この成果は高い経済的効果をもたらし、我が国の石炭化学工業の発展を促進するでしょう。 FTO触媒のTEM写真。a, b、低倍率TEM写真；c, d, e、高倍率TEM写真；f、Co2C平行六面体ナノ粒子の模式図。 エネルギー化学分野において、オレフィンは基本的かつ非常に重要な高付加価値の化学原料であり、合成繊維、合成ゴム、合成プラスチック、高級潤滑油、高炭素アルコール、高密度ジェット燃料など、多くの製品がこの原料をベースにしています。したがって、オレフィン産業の発展水準と市場の供給需要のバランスは、化学工業全体の発展水準や産業規模に直接的な影響を与える。近年、石油資源への依存を緩和するため、国内外の研究は主に非石油系ルート、すなわち石炭や天然ガス資源を利用して直接的または間接的にオレフィンを製造することに焦点が当てられている。 現在の主流のプロセスは、まず石炭や天然ガスから合成ガス（主成分は一酸化炭素と水素、すなわちCOとH2）を製造し、次にその合成ガスを変換してメタノールを得て、最終的にメタノール変換ルート（メタノールからエチレンやプロピレンを製造するMTOプロセス、およびメタノールからプロピレンを製造するMTPプロセスを含む）を通じてオレフィン製品を生産するものです。この技術は2つのステップから成り、すなわち合成ガスを銅系触媒を用いてメタノールに合成し、そのメタノールを分子ふるい触媒を用いてオレフィンに変換するものである。反応ステップを減らし、合成ガスから直接高選択性でオレフィンを合成できれば、プロセスはより短くなり、エネルギー消費も低くなる。 合成ガスフィッシャー・トロプシュ反応ルートによる直接オレフィン製造とは、COとH2が触媒の作用によりフィッシャー・トロプシュ（略称FT）反応ルートを経てオレフィン（FTOとも呼ばれる）を合成する過程を指す。現在、FTOにおける主な課題は、オレフィン選択性の向上と生成物分布の効果的な制御である。FTOは強い発熱反応であるため、過度な反応熱により局部的な過熱が生じやすく、飛温現象が起こり、メタン化やカーボン堆積が促進される。大量のメタンが生成されることで、全エンジンオレフィン収率が著しく低下する。さらに、FT合成過程においてオレフィンは中間生成物として存在するため、二次水素化反応を起こしやすく飽和アルカンに変化してしまい、それによってオレフィンの選択性がさらに低下する。合成ガスから直接オレフィンを製造するルートが上記の要因によって制約されていることを踏まえ、優れたFTO触媒性能を実現し、かつ低メタン選択性と高オレフィン選択性を両立させるためには、全く新しい触媒活性サイト構造の開発が必要である。 石炭系合成ガスを用いたオレフィンの直接かつ効率的な製造 中国科学院上海高等研究院の低炭素変換科学・工学重点実験室（低炭素変換ラボ）では、炭素含有資源の低炭素変換利用に関する核心技術の研究開発を行っており、合成ガスの触媒的変換における構造と性能の関係や反応ネットワークの研究、そして触媒の開発にも力を入れています。最近、低炭素変換ラボでは革新的な新規触媒を開発しました。この触媒は、穏やかな反応条件（250℃、1～5atm）下で、高選択性を持って合成ガスから直接オレフィンを製造することができます。メタンの選択性は5％まで低下し、低炭素オレフィンの選択性は60％に達し、総オレフィンの選択性は80％以上です。また、オレフィン/アルカン比は30以上にもなり、優れたFTO性能を示しています。触媒活性サイトの本質を明らかにするため、同研究室は詳細な構造効果関係の研究と理論計算を組み合わせることで、活性サイトの構造が表面が{101}および{020}であるCo2Cナノ平行六面体であることを特定した。 上記の研究の成果は『ネイチャー』誌に掲載されました。我が国の石油不足、ガス不足、石炭豊富という資源特性に基づき、この技術は非常に高い産業応用の見通しと大きな経済的効果を持っている。 現在、中国科学院上海高等研究院は、協力企業である山西潞安集団などと合意に達し、触媒の大量生産、反応器の設計、工程開発などの分野で共同で取り組むことを目指しています。これにより、できるだけ早く工業的な実証や産業化を実現し、我が国の石炭化学産業の発展を促進したいと考えています。