航空機ジェット燃料の直接合成が可能に――富山大学が新しいFT合成用金属担持ゼオライト触媒を開発

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合成ガス(syngas)が、コバルト(Co)を担持したメソ細孔を持つY型ゼオライト触媒を通過し、各種液体燃料に転換される

富山大学は2018年9月18日、「Fischer-Tropsch(フィッシャー・トロプシュ、以下FT)合成」により、航空機ジェット燃料を直接合成することに成功したと発表した。FT合成とは、合成ガス(一酸化炭素と水素の混合ガス)を用いて軽油や軽質オレフィンを合成する触媒反応。従来の複雑でコストがかかるバイオマスからのジェット燃料合成と比べてプロセスが簡素化されており、コスト競争に有利と考えられている。

富山大学大学院理工学研究部の椿範立教授、三菱重工業、新日本石油(現JXエネルギー)は2012年から2016年に実施されたNEDOの事業において、MRJ飛行機用バイオジェット燃料を製造するためのFT合成パイロットプラントを長崎市の三菱重工業構内に立ち上げた。

しかし、得られたジェット燃料はそのままでは使えず、厳しいジェット燃料基準をクリアするために製油所で再度水素化精製する必要があった。合成ガスに代わって二酸化炭素と水素を原料とするジェット燃料もFT合成と同じ触媒反応ルートで製造できるが、製造プロセスは多段階に及ぶ。椿教授らは、FT合成によるジェット燃料の直接合成の研究に取り組んだ結果、独自に開発したカプセル型触媒によるガソリンの直接合成には成功した。しかし、より難易度の高いジェット燃料の直接合成には至らなかった。

ジェット燃料に求められる高発熱量・燃焼性の良さ・安定性などの基準を満たすためには、分岐の多い炭化水素構造(イソ体炭化水素)が適している。研究グループはこの選択率を上げるため、ガソリン直接合成用のFT触媒設計を見直した。担体や酸触媒としての機能を持つゼオライトは、酸点(酸性を示すOH基など)を増やした上に、ナノ空間構造、メソ細孔構造、酸点分布を精密に制御。さらに、この新規酸性ゼオライトに、ランタンとコバルト金属を担持して、新たなFT合成用金属担持ゼオライト触媒を開発した。

この触媒を用いてFT合成した結果、炭素-炭素結合生成と炭素骨格の異性化が効率良く進行。イソ体炭化水素を多く含むジェット燃料が、72%という非常に高い選択率で得られた。また、この反応が合成ガスだけでなく、二酸化炭素と水素にも適用できることを実証した。さらに、この触媒系は、担持金属をランタンからセリウムに替えるとガソリンが合成でき、カリウムに替えると軽油が合成できるという”オンデマンド触媒”としての特徴も持つ。

現在のバイオジェット燃料の合成プロセスは製造ステップが多く、全プロセスが複雑で、出口製品コストが高いという課題がある。一方、今回開発された製造方法はプロセスを簡素化でき、コスト競争に有利となる。また、反応は二酸化炭素と水素に対しても適用できることから、従来のバイオマスからのジェット燃料合成ルートと全く異なる新しいジェット燃料製造ルートを確立することで、航空業界の二酸化炭素削減目標達成に貢献できるという。

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