温室効果ガスを有用な化学原料に転換

~低温活性で長寿命な組みひも状の触媒を創成~

2019.02.15

科学技術振興機構 (JST)
物質・材料研究機構
高知工科大学
東京工業大学

JST 戦略的創造研究推進事業において、NIMSの阿部 英樹 主席研究員、高知工科大学の藤田 武志 教授、東京工業大学の宮内 雅浩 教授らの研究グループは、NIMSの橋本 綾子 主任研究員と共同で、金属・セラミックス複合材料のナノ相分離構造のトポロジーを操ることにより、メタンと二酸化炭素から有用な合成ガスを製造するメタンドライリフォーミングに対して優れた低温触媒活性と長寿命特性を発揮する触媒材料の創成に成功しました。

概要

  1. JST 戦略的創造研究推進事業において、物質・材料研究機構の阿部 英樹 主席研究員、高知工科大学の藤田 武志 教授、東京工業大学の宮内 雅浩 教授らの研究グループは、物質・材料研究機構の橋本 綾子 主任研究員と共同で、金属・セラミックス複合材料のナノ相分離構造のトポロジーを操ることにより、メタン (CH4) と二酸化炭素 (CO2) から有用な合成ガス (一酸化炭素と水素の混合ガス) を製造するメタンドライリフォーミング (DRM) に対して優れた低温触媒活性と長寿命特性を発揮する触媒材料の創成に成功しました。
  2. メタンは、天然ガスの主成分であると同時に主要な温室効果ガスでもあります。DRMは、メタンと二酸化炭素を化学原料に転換することができるため、天然ガスの有効利用と地球温暖化抑止の観点から注目されています。しかし、低温 (600度未満) で特に顕著なコーキング (副生成物としてすすが出ること) による触媒反応装置の栓塞を避けるため、現状のDRMは800度超の高温過程を必要とします。そのため、主に燃料消費や装置寿命の問題から、工業規模での実用化には至っていません。
  3. 研究グループは、金属相のニッケル (Ni) と酸化物相のイットリア (酸化イットリウム、Y2O3) がナノ繊維状で組みひものように互いに絡み合う特殊なトポロジーを備えた「根留触媒 (Rooted Catalysts) 」を創成し、Ni#Y2O3 (ニッケル・ハッシュタグ・イットリア) と名付けました。Ni#Y2O3の触媒活性中心であるNiは、Y2O3内部に広く根を張り巡らしているため、粒子マイグレーションに伴う失活を受けにくいという特性があります。この根留触媒により、従来の触媒材料では困難とされていた低温領域 (500度未満) において、コーキングを効果的に抑止し、長時間 (1,000時間以上) 安定的にDRMを駆動することに成功しました。
  4. 本成果は、天然ガスの有効利用と温室効果ガス低減への突破口となりえます。シェールガスなどの非在来型化石燃料の市場拡大や新興国の経済成長に伴って、今後も温室効果ガスの排出が続き、地球規模の気候変動は苛烈化が進むと予測されています。これに対し、開発した触媒は大きな抑止力を発揮すると期待されます。
  5. 本研究成果は、2019年2月22日 (英国時間) に国際科学誌「Chemical Science」のオンライン版で正式に公開され、後日出版される号の表紙を飾る予定です。
「メタンドライリフォーミングの現在 (左) と本研究により実現される未来 (右) 触媒反応の低温化により、燃料消費と温室効果ガス低減を実現する。」の画像

メタンドライリフォーミングの現在 (左) と本研究により実現される未来 (右)
触媒反応の低温化により、燃料消費と温室効果ガス低減を実現する。

掲載論文

題目 : "Topologically Immobilized Catalysis Centre for Long-term Stable Carbon Dioxide Reforming of Methane" (トポロジー的に固定された触媒活性中心による長時間安定ドライリフォーミング)
著者 : Shusaku Shoji,  Xiaobo PENG,  Tsubasa Imai,  Paskalis Sahaya Murphin Murphin Kumar,  Kimitaka Higuchi,  Yuta Yamamoto,  Tomoharu Tokunaga,  Shigeo Arai,  Shigenori Ueda,  Ayako Hashimoto,  Noritatsu Tsubaki,  Masahiro Miyauchi,  Takeshi Fujita,  Hideki Abe
雑誌 : Chemical Science
掲載日時 : 2019年2月22日 (英国時間)
DOI : 10.1039/C8SC04965C

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