週間功績賞丨ナノ閉じ込め触媒 - 非常に小さな空間での偉大な成果

石炭や石油コークスなどの原料を使用して合成ガス（一酸化炭素と水素の混合物）を製造すること、および合成ガスを使用して異なる数の炭素原子を含む炭化水素製品を製造することは、現代産業における重要な化学産業となっています。炭素原子の数が異なる物質は用途が異なり、その中でも炭素原子が2～4個の「低炭素オレフィン」が広く使用されています。

「高炭素オレフィン」と比較すると、低炭素オレフィンは高価値の化学原料として次の生産に輸送され、人類のニーズに応えるさまざまな化学薬品、医薬品、プラスチックなどの材料の製造に使用されます。合成ガスから炭化水素製品を製造する現在の主流の方法はフィッシャー・トロプシュ法です。 1925 年に発明されたこの方法は、触媒と適切な条件下で CO と H2 を炭化水素に変換できます。ただし、C2-C4炭化水素の割合は56.7%を超えてはならないという理論上の制限があります。残りの生成物のほぼ半分は、燃やす価値しかないメタンCH4とその他の高炭素オレフィンです。実際には、フィッシャー・トロプシュ合成の実際の C2-C4 収率はさらに低くなります。

2020年国家自然科学一等賞に認定された成果は、鮑新和院士チームが提案した「ナノ閉じ込め触媒」をガイドとする新しい合成戦略であり、高活性と高選択性の「ウィンウィン」の状況を実現した。

「ナノ閉じ込め触媒」とは何ですか?非常に狭いスペースで非常に複雑なことを行うというのが一般的な理解です。化学者にとって、2〜3 cm の空間はすでに大きすぎるため、ナノスケールは彼らが細心の注意を払って作業を行う場所となることがよくあります。 1ナノメートルは10-9メートルという定義など、ナノメートルの概念はよく耳にしますが、ナノメートルを直感的に理解するのはまだ難しいです。簡単な例えで考えてみましょう。「1メートル」を5,200キロメートルに拡大すると、「1ナノメートル」は5,200キロメートルの10-9倍、つまり5.2ミリメートルに比例して拡大され、これは大人の小指の幅の約半分に相当します。

「閉じ込め」とはナノスケールでのスクリーニング

ナノスケールで化学反応を制御すると、魔法のような結果が得られることがよくあります。これは、私たちの世界を構成する原子や分子のサイズがまさにナノスケールであるためです。たとえば、水分子のサイズは約 0.4 ナノメートルで、エチレン分子内の同じ側にある炭素原子と水素原子の間の距離はわずか 0.25 ナノメートルです。炭素原子の数が増えるにつれて、分子のサイズは数十ナノメートルにまで大きくなります。これにより、「低炭素オレフィン」の収率を高める機会が得られます。合成ガスをオレフィンに変換する反応場としてナノメートルサイズの細孔（カーボンナノチューブ）を作成し、これらの細孔のサイズが非常に小さい（数ナノメートル）ため、炭素原子の非常に少ないオレフィンのみが存在して細孔を通過でき、高炭素オレフィンが細孔で生成されないようにすると、フィッシャー・トロプシュ合成の理論上の上限を突破できます。ナノスケールの細孔サイズを調節することで製品を選別および生成するこの方法は、ナノ細孔閉じ込めと呼ばれます。

ナノチューブ内の高効率触媒システム

科学者がこれらのナノサイズのチャネルに触媒を配置すると、触媒自体の活性が強化されます。人が一定の圧力下でより大きな潜在能力を発揮できるのと同じように、極めて狭い空間では、触媒の周囲の環境によって電子配置と軌道特性が変化し、それによって触媒の効率と選択性が向上します。

鮑新和院士のチームは、合成ガスの効率的かつ正確な合成のために、カーボンナノチューブ内に一連の複雑な触媒システムを構築することに成功した。ナノスケールで触媒システムを正確に合成し、触媒性能を評価し、その背後にある科学的真実を発見することはさらに困難です。しかし、優秀な化学者にとっては、問題よりも解決策のほうが常に多く存在します。 20年以上の努力の結果、「ナノ閉じ込め触媒」の概念の提案と産業実証および応用に成功し、低炭素オレフィンの高選択的合成を実現しました。石油が不足し、石炭が豊富な我が国にとって、これは石炭から化学原料を得るためのより効率的な方法を追加し、触媒プロセスを理解し、化学反応を正確に制御するための扉を開きました。今後もこの技術は役割を果たし、より大きな価値を生み出していくでしょう。

（文責：重慶大学化学工学部教授 李存普、査読者：重慶大学化学工学部准教授 黄洵）

中国科学技術協会科学普及部

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