化学における「聖杯反応」をご存知ですか?

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

天然ガスといえば、誰もが知っていることでしょう。今日では、どの家庭でも調理に天然ガスは欠かせません。天然ガスの主成分はメタンであり、これは最も単純な炭化水素です。 2023年現在、我が国の天然ガス埋蔵量は6.6兆立方メートルとなり、世界の天然ガス埋蔵量の10％を占めることになります。

天然ガス貯蔵

（写真提供：veerフォトギャラリー）

巨大な資源上の利点に直面して、メタンの開発と利用を加速することが、エネルギーと化学産業のグリーンで持続可能な発展を達成するための鍵となります。メタンは燃料として直接利用されるほか、さらに変換してメタノールやギ酸などの高付加価値化学物質を生産できるC1資源、つまり炭素原子を1つ含む分子としても利用されます。

高校生のときにメタンと酸素の反応の化学式を書いたとき、反応条件が「燃焼」であることを示さなければならなかったことを思い出してください。メタンは酸素の中で燃焼して水と二酸化炭素を生成します。燃焼条件がない場合、メタン分子の炭素-水素結合の活性化と変換は穏やかな条件下で達成できるでしょうか?

答えはイエスです！これは触媒における「聖杯反応」です。

「聖杯」に関連する反応は、非常に困難な場合が多い。非常に厳しい条件下で実行する必要がある場合や、非常に安定した化合物の活性化、低い収率、低い選択性など、化学反応に固有の困難を克服する必要がある場合があります。これらの課題により、これらの反応を達成することは困難ですが、成功すれば、科学研究と産業応用に大きな進歩をもたらすでしょう。

メタン分子の構造

（写真提供：veerフォトギャラリー）

低温でのメタン変換の課題

低温、あるいは室温で安価な酸素を使ってメタンを他の有用な化学物質に直接変換することがなぜそれほど難しいのでしょうか?

メタンと酸素の性質を見てみましょう。

メタンの化学構造には 4 つの同一の炭素-水素結合 (CH) が含まれており、高度に対称的な四面体構成を形成しています。メタンの各 CH3-H 結合の結合エネルギーは 435 kJ/mol にも達します。

メタンのCH結合は、特に強力なバネのようなものだと考えることができます。このバネは非常に固く、伸ばすには大きな力が必要です。化学では、この「力」は CH 結合を切断するために必要なエネルギーです。

この高い結合エネルギーにより、メタンのCH結合は熱力学的に極めて安定しており、通常の条件下では分解または反応することが極めて困難です。一方、化学反応では、通常、極性（分子の一端がプラスに帯電し、他端がマイナスに帯電する現象）の作用により活性基が生成されますが、メタン分子は対称構造と非極性の特性により、この極性を生成することができず（分子構造上、対称面を持つ分子には極性がありません）、活性基を提供することができません。

したがって、メタンの活性化と変換の反応は非常に困難であり、通常、メタンの活性化を助けるために、高温 (600 ～ 1100°C) や超酸、フリーラジカルなどの「極端な分子」などの厳しい条件が必要になります。

したがって、メタンと酸素の低温活性化を実現する上での主な難しさは、メタンのCH結合をどのように活性化するか、つまりCH結合の「バネ」を伸ばすかにあります。

触媒の奇跡

メタンの低温酸素活性化

（画像出典：参考文献[3]）

科学者たちはこの問題を解決する良い方法を考え出しました。彼らは、低温でメタンを活性化するために触媒を使用することを選択しました (触媒とは、反応の前後でそれ自体は変化しないが、反応を起こすために注入する必要がある最小エネルギーを変化させることで反応を加速できる化学物質です)。

2023年、Nature Catalysis誌は、特定の二硫化モリブデン（MoS2）触媒を25℃で使用して、メタンと酸素をC1酸素化合物（メタノール（CH3OH）、ギ酸（HCOOH）、メチレングリコール（HOCH2OH））に直接変換することを報告しました。常温条件下では、メタンと酸素は貴重なC1酸素化合物に変換され、メタン変換率4.2％、C1酸素化合物ほぼ100％を達成しました。

この MoS2 は、メタンと酸素の室温での変換を達成できる、これまでに報告された唯一の触媒です。

これらすべては、MoS2 の端にある Mo サイトの独特な幾何学的構造と電子構造に起因します。この Mo サイトは水性環境中の酸素に対して高い活性化活性を持ち、魔法の O=Mo=O* 種を形成します。この種は炭素-水素結合を切断しやすくし、メタンのCH結合の活性化エネルギーを低下させ、メタンの反応性を大幅に高め、メタンと酸素の低温活性化を実現します。

この発見は、将来のエネルギー利用と環境保護にさらなる可能性をもたらすとともに、触媒の魔法の効果についての理解を深めることにもなるでしょう。

低温でのメタンの活性化の大きな戦略的意義

我が国は天然ガス資源が豊富な国であり、メタンの埋蔵量も豊富です。室温でのメタンと酸素の直接触媒変換を実現し、天然ガス中のメタンを他の有用な化学物質に変換することで、天然ガスの利用率を大幅に向上させ、廃棄物を削減することができます。これにより、我が国のエネルギー産業に多大な経済的利益がもたらされるとともに、環境保護が強化され、エネルギーの持続可能な開発が達成されることになります。

第二に、温室効果ガスとしてのメタンの地球温暖化への「寄与」は二酸化炭素に次いで大きい。メタンを他の物質に変換できれば、温室効果ガスの排出を削減し、地球温暖化の圧力を緩和することができます。これは我が国の環境保護活動に大きく貢献するとともに、地球規模の気候変動問題への取り組みにおける我が国の責任と取り組みを示すものとなるでしょう。

以上の議論を踏まえると、室温でのメタンと酸素の直接触媒変換は、我が国のエネルギーと環境の分野に重要な変革をもたらし、計り知れない機会をもたらすことになるでしょう。この技術的困難を克服することで、我が国のエネルギー構造の最適化とグリーン化を推進できるだけでなく、関連する産業革新に強力な技術サポートを提供し、それによって我が国の技術進歩と世界のエネルギーおよび環境保護分野におけるリーダーシップを加速することができます。

結論

科学技術の舞台で、メタンと酸素の物語は続きます。科学の継続的な進歩により、目標とするメタン変換の出力値は今後も上昇し続けると考えています。一緒にこの美しい未来を楽しみにし、科学の力を使って私たちの生活にさらなる驚きと便利さをもたらしましょう！

参考文献

[1] Li、Z.、Xiao、Y.、Chowdhury、PR 他。 2次元金属炭化物上の原子的に薄い白金ナノ層によるメタンの直接活性化。ナット。カタル。 4、882–891（2021年）。

[2] 郭暁他メタンをエチレン、芳香族化合物、水素に直接、非酸化的に変換します。サイエンス344、616-619（2014）。

[3] Mao、J.、Liu、H.、Cui、X. 他。エッジリッチ MoS2 上での室温でのメタンと O2 の直接変換。ナット。カタル。 （2023年）。