石炭からオレフィンへの触媒の開発において重要な進歩がありました!石炭は直接燃やす以外にも様々な用途がある

制作：中国科学普及協会

著者: デノボ

プロデューサー: 中国科学博覧会

エネルギーは人類社会の発展に重要な役割を果たします。私たちの日常生活における携帯電話、電化製品、自動車、あるいは工業生産における航空機エンジンやロケット推進装置など、それらはすべてエネルギー供給に依存しています。

私の国では、主な化石エネルギー源は依然として石炭で約70％を占め、石油は約20％、天然ガスはわずか1％から2％を占めています。現状では、国内のエネルギー需要は供給を上回っており、特に液体エネルギー（オレフィンなど）の需要が高まっています。オレフィンは、燃料、化学原料、肥料原料、化学中間体など、多くの分野で重要な役割を果たしています。したがって、オレフィンを生産するための新しい技術を開発することは、我が国の経済的、社会的発展にとって大きな価値があります。

科学者たちは興味深い疑問を提起しています。我が国の豊富な石炭を使ってオレフィンなどの液体エネルギーを生産できるのでしょうか？我が国の科学研究者たちはこの考えを実践し始めています。まず石炭を合成ガスに変換し、次にフィッシャー・トロプシュ反応によって合成ガスをガソリン、ディーゼル、芳香族などの液体エネルギーに変換します。

エチレン（最も単純なオレフィン）の 3D モデル

(画像出典: Wikipedia)

フィッシャー・トロプシュ合成：化学産業における「魔法のキッチン」

先ほど触れた「合成ガス」とは何でしょうか？実際、それは一酸化炭素 (CO) と水素 (H2) の混合物です。このガス混合物はどのように作るのでしょうか?通常、石炭、石油、さらにはバイオマスなどの炭化水素を、酸化剤（酸素や水蒸気など）による部分酸化や水性ガス転換などの化学反応にかけることで合成ガスを生成します。この特殊ガスは化学産業において幅広い用途があり、フィッシャー・トロプシュ合成を含む液体燃料の合成プロセスにおける重要な原料です。

フィッシャー・トロプシュ合成とは何ですか?

フィッシャー・トロプシュ合成は、合成ガスを液体燃料やその他の貴重な化学物質に変換することを主な目的とするユニークな化学プロセスです。このプロセスは、もともと1920年代にフランツ・フィッシャーとハンス・トロプシュという2人のドイツ人化学者によって開発されました。

フィッシャー・トロプシュ合成をより現実的な例で説明することができます。それは「魔法のキッチン」として想像することができます。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

このキッチンでは、合成ガスが「材料」となります。一連の化学反応（触媒の作用による）を経て、「おいしい食べ物」、つまり液体燃料を作ることができます。

この「魔法のキッチン」は、シンプルな材料をさまざまな便利な製品に変えることができます。たとえば、一酸化炭素 (CO) をトマト、水素 (H2) を卵として想像することができます。トマトと卵の量をさまざまに変え、さまざまな調理法を組み合わせることで、トマト入りスクランブルエッグ、トマトと卵のスープ、さらにはトマトと卵のパンケーキを作ることができます。

フィッシャー・トロプシュ合成は、エネルギーの多様化と資源の有効活用において重要な役割を果たします。特に我が国は、資源状況が石炭が豊富で、石油が不足し、ガスもほとんどないため、この技術は、豊富な地元の石炭、バイオマス、その他の資源を液体燃料に変換し、外部の石油への依存を減らし、エネルギー安全保障をさらに向上させることができます。したがって、この反応は非常に重要な戦略的意義を持っています。

触媒：突破しにくいシーソー

フィッシャー・トロプシュ合成反応の重要性を理解したところで、科学者が行った最も重要な研究である触媒の改良について見てみましょう。

化学反応における触媒は促進剤として働く物質です。反応速度を速めることができますが、反応自体には関与しません。フィッシャー・トロプシュ反応では、触媒の種類が生成物の種類と分布に直接影響します。実際、フィッシャー・トロプシュ反応だけでなく、化学業界では、化学反応の 85% 以上が反応速度を上げるために触媒に依存しています。

複数の生成物を生成する可能性のある複雑な反応を扱う場合、できるだけ多くの純粋な目的生成物が得られることが期待されますが、ほとんどの触媒システムの活性と選択性（選択性は生成物の独自性を表します）には「シーソー効果」があります。シーソーの両端では、一方の端は反応の活性であり、もう一方の端は反応の選択性です。活性が増加すると選択性が低下し、目的生成物の収率が低下します。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

約90年の開発を経ても、合成ガスから軽質オレフィンを合成するシステムにおける軽質オレフィン製品の選択率は理論限界（58％）を突破することが難しく、触媒システムは深刻なシーソー効果を抱えています。したがって、限界を打ち破り、「シーソー」効果を打破する方法は、この分野の科学者にとって常に長期的な関心事でした。

第一世代OXZEO触媒：限界に挑戦

低炭素オレフィン製品の選択性の理論的限界を突破するにはどうすればよいでしょうか?

中国科学院大連化学物理研究所の鮑新和院士と潘秀蓮研究員のチームは、触媒の活性成分を従来の金属や金属炭化物から、金属酸化物と分子ふるいの複合触媒であるOXZEOに変更するという独創的なアイデアを思いつきました。

分子ふるいは、微細な均一な細孔と整然と並んだ穴を持つ特殊なゼオライトです。これは、さまざまなサイズや形状の分子をふるい分けることができる分子レベルのふるいのように機能します。

OXZEO システムでは、一酸化炭素分子が金属酸化物の表面に吸着され、その後 CO 結合が「切断」されて表面に酸素原子と炭素原子が形成されます。気相中の H2 は表面の炭素原子と反応して炭化水素中間体を形成し、それが分子ふるいの細孔に入り込み、分子を「ふるいにかける」ことで炭素原子の連鎖成長を開始します。このプロセスは、分子ふるいの細孔の制限性を巧みに利用します。分子ふるいの細孔サイズを調整することで、反応生成物の種類を正確に制御することができ、合成ガスから軽質オレフィンを合成する際の選択限界を打ち破ることができます。

OXZEO触媒による合成ガスからオレフィンへの反応プロセス

（画像出典：サイエンス誌、2016年）

この画期的な研究成果により、一酸化炭素転換率が17％に達すると軽質オレフィンの選択率が80％まで達することを可能にし、理論限界の58％を突破することに成功しました。同時に、この触媒システムは、従来の大量の水と大量のエネルギーを消費する経路を放棄し、石炭化学産業が従い、1920年代にドイツの科学者によって発明されたフィッシャー・トロプシュ合成経路を覆します。原理的には、少ない水消費量（反応中に水循環がなく、廃水排出もない）で石炭を一段階で合成ガスに変換する新しい方法を生み出しました。

研究成果は2016年に科学誌「サイエンス」に掲載された。研究チームは2020年までに、工場で年間1,000トンの軽炭素オレフィンを生産する産業試験を完了し、科学的原理と実用プロセスにおけるプロセスの実現可能性を確認し、軽炭素オレフィン製品製造技術の発展をさらに促進し、グリーンエネルギーと化学品の生産に、より信頼性が高く効率的な技術手段を提供した。

次世代触媒OXZEO：その先へ

第一世代のOXZEO触媒は、数百年にわたる軽質オレフィンの理論限界58%を突破しましたが、反応物COの変換率はわずか17%でした。合成ガスからオレフィンへの反応システムにおける活性と選択性のシーソー問題を解決するために、鮑新和院士のチームは徹底的な研究を継続し、活性と選択性を同時に向上できる触媒の開発に努めました。

研究者らは、シーソー効果の限界の根本的な原因は、現在の分子ふるいが主反応（炭素-炭素の「連携した」変換による軽質オレフィンの生成）を触媒するだけでなく、2 つの副反応（軽質オレフィンが他の物質と結合して価値の低いアルカンを生成し、軽質オレフィン基が「連携して」大きな分子オレフィンを生成する）も同時に触媒するという事実にあることを発見しました。この共通の活性中心は「シーソー」の支点のようなものです。変換率が上昇すると、それに応じて選択性が低下するため、変換率と選択性の両方を同時に向上させることが困難になり、最終的には軽質オレフィンの収率が低下します。

この問題を解決するために、第一世代のOXZEO触媒を最適化しました。オリジナルの分子ふるいをベースに、金属ゲルマニウムイオン（GeAPO-18）をベースにした微多孔性分子ふるいを作製しました。この新しいタイプの分子ふるいは酸性を弱め、低炭素オレフィンの自己重合による大きな分子の形成と他の原子との結合の可能性を効果的に抑制し、活性中心の完全な分離を実現し、副反応の発生を減らします。

この最適化は、支点が 1 つある元の「シーソー」モデルを 2 つの独立した「翼」に変換するようなもので、最初の反応中間体の形成とそれに続く炭素原子の連鎖成長の 2 つのプロセスが独立したサイトで発生し、反応が「自由に飛ぶ」ことが可能になります。

この新触媒は、最適化された反応条件のもと、軽質オレフィン選択率を80%以上（最大83%）に維持しながら、驚異的な一回通過CO転化率85%を達成し、軽質オレフィン収率（収率とは、実際の収率と理論収率の比率を指します）は、第1世代OXZEO触媒の2倍以上となる、国際的に最高水準の48%を達成しました。この大きな進歩は今月19日に科学誌「サイエンス」にオンライン掲載された。

OXZEO合成ガスから軽質オレフィンへのプロセスにおける活性と選択性のトレードオフ

（画像出典：サイエンス誌、2023年）

学術委員の Bao Xinhe 氏と彼のチームは、OXZEO 触媒の設計思考を拡張することに成功し、最初に石炭を合成ガスに直接変換するための革新的な技術プラットフォームを構築しました。一連の高付加価値化学品と燃料の方向性合成を実現し、節水、省エネ、効率的な石炭化学産業の新たな発展方向をリードしています。

この画期的な成果は、石炭化学業界が90年以上にわたって固執してきたフィッシャー・トロプシュ法を完全に覆し、従来の触媒反応における活性と選択性を同時に向上させることが困難であるという「シーソー」問題を見事に解決しました。この反応プロセスは、石炭化学業界の水とエネルギーの消費を大幅に削減するだけでなく、石炭転換の分野における「画期的な進歩」として業界からも高く評価されています。

結論

この新しいプロセスは、化学産業における石炭と天然ガスの開発と応用に間違いなく大きな影響を与えるでしょう。これは石炭化学産業に新たな章を開き、より効率的で環境に優しく持続可能な方向への分野全体の発展を促進します。中国の科学者たちはエネルギー分野に新たな活力をもたらす道を歩んでいる。