早大、低温下メタン酸化カップリングの機構を解明、天然ガスから低コストでエチレン合成へ

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低温・酸化還元型でメタン酸化カップリングが進む反応メカニズム

早稲田大学は2018年1月22日、同大学理工学術院の研究グループが、低温下でメタン酸化カップリングが起こる反応メカニズムを、世界で初めて明らかにしたと発表した。科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業における成果だ。

メタン酸化カップリングは、天然ガスの主成分であるメタンと空気中の酸素から、石油化学の基幹原料であるエチレンに直接転換できる反応であるため、天然ガス有効利用法の1つとして注目されている。しかしこの反応は従来700℃以上の高温条件下で行われるため、高い耐熱性を持つ高価な反応器材料が必要なことや高温による触媒の劣化などから、実用化には至っていない。

今回同研究グループでは、電場中で触媒反応を行うことで、メタン酸化カップリングのような従来高温を必要とする反応を、150℃という低温で進行させるメカニズムを見いだした。

これまで、特にCe2(WO4)3触媒が低温・電場中で高い活性を示すことが知られていたが、その活性発現メカニズムは不明だった。今回の研究により、電場印加によってCe2(WO4)3触媒中のCeカチオン(セリウムの陽イオン)が酸化を受けることをきっかけに格子酸素(O2−)が活性化され、メタンのC−H引き抜きに高い活性を持つ活性酸素種が生成すること、この活性酸素種の消費と再生を繰り返す酸化還元型の機構で反応が進むことがわかった。150℃という低温で酸化還元サイクルが回るという現象はこれまで報告がないという。

今回の研究で明らかになった反応メカニズムは一般化が可能であり、酸化還元型の機構で進行するさまざまな反応を低温化できるようになるという。このため、従来高温で駆動せざるを得ず選択性やエネルギー効率を犠牲にしてきた反応も、低温で高効率に進めることが可能になる。

また今回の研究で電場中の触媒の構造・電子状態を知るために用いられたその場計測・解析技術や計算化学的手法は、燃料電池などの外部電場を用いる触媒反応系に対しても展開できる。

今回見いだされた反応メカニズムは、従来の流通型の触媒反応器に電極を挿入して外部から電場を印加するだけで実施できる。高温の熱源や大規模な熱交換器が不要なため、設備や運転のコストを抑えた実用化可能なプロセスとなり得る。低コスト化により、スケールメリットの出にくい中小規模のガス田の利用も可能になるという。

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