シリコンナノ構造体にロジウムナノ粒子を固定化した触媒を開発――第二世代バイオディーゼル燃料を合成 理研、中部大学ら

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理化学研究所、自然科学研究機構分子科学研究所、中部大学、東京工業大学、九州大学の研究グループは2020年1月28日、シリコンナノ構造体にロジウムナノ粒子を固定化した触媒を開発し、それを用いて第二世代バイオディーゼル燃料を合成したと発表した。第二世代バイオディーゼル燃料の効率的な製造プロセスの確立や医薬品合成、有機半導体等の有用物質合成の開発に繋がることが期待される。

同研究グループはまず、シリコン基板を用いて太さナノサイズの細長いワイヤーからなるシリコンナノ構造体を作製し、ロジウムナノ粒子を担持することにより触媒(SiNA-Rh)を調製した。

SiNA-Rhを上から見たところ

触媒の断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、高さが5~10μm、シリコンワイヤーの幅およびワイヤー間の幅がそれぞれ数十~数百nmであることが分かった。

SiNA-Rhの走査型電子顕微鏡画像

透過型電子顕微鏡でさらに拡大すると、平均粒径4nmのロジウムナノ粒子がシリコンナノ構造体に担持されていることが確認された。

SiNA-Rhの透過型電子顕微鏡画像

次に開発した触媒を用いて、第二世代ディーゼル燃料の合成実験を行った。合成実験では、バイオマス由来の遊離脂肪酸であるステアリン酸を基質(原料)とし、原料に対して1/2000モル当量(0.05モル%)の触媒を用いた。水素雰囲気下で40W程度のマイクロ波照射により温度を200℃に保ち、24時間にわたって還元反応を行った。結果として、対応する炭化水素(ヘプタデカン)が90%以上という高収率で得られた。

開発された触媒は20回再利用しても収率80%以上が維持され、触媒活性が大きく低下することはなかった。共生成物として一酸化炭素が生成された一方で、二酸化炭素は検出されていない。一酸化炭素は、フィッシャートロプシュ法を用いた液体炭化水素合成の原料として利用することが可能である。

今回の研究により、植物の二酸化炭素固定で生成したバイオマスを原料とし、再生可能エネルギーからの製造が実現しつつある水素を用いて、第二世代バイオディーゼル燃料と石油原料の一酸化炭素をカーボンニュートラルかつ省資源、省エネで生産することが可能となった。今後、例えばパーム油などの油脂分解により生じた未使用の遊離脂肪酸などへの本技術の応用が期待される。

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