メタンとエタンの活性化と含酸素有機化合物への転化反応

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昨年度の成果では、ホウ素とリンの複合酸化物触媒および、その改質触媒がエタンからのアセトアルデヒド合成に高い選択性と活性を示す優れた触媒であることを明らかにした。しかし、これらの触媒はメタンの活性化とホルムアルデヒドの生成には顕著な効果を示さなかった。本年度の研究目的は、メタンの部分酸化反応でホルムアルデヒドを一段で合成する触媒に焦点を絞り、有望な金属酸化物触媒を広く探索した。見出した触媒について反応の速度論的研究を基に、反応機構を考察した。多くの金属複合酸化物触媒を探索した結果、モリブデン酸鉄触媒が優れていることが解った。この触媒は、少量のリチウム、亜鉛、あるいは、セリウムを添加すると、さらに優れたホルムアルデヒド合成触媒に改質された。これらの触媒について、ホルムアルデヒド生成反応に対する流速依存性、酸素分圧依存性、メタン圧依存性、そして、メタノール添加効果などを調べた。その結果、本触媒上でのメタン部分酸化反応は、メタンからメタノールを一度経由してホルムアルデヒドを生成し、ホルムアルデヒドから一酸化炭素、二酸化炭素が生成する、逐次反応経路で進行することが解った。また、活性酸素は触媒表面上に存在する原子状の酸素であり、これと気相のメタン分子がイーレイ・リディール機構により反応していることが解った。