固体内酸素イオン伝導を利用したメタン酸化用メンブレン反応器の開発

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酸素イオン導電性と電子伝導性を兼ね備えた酸化物より作製したメンブレンを用い、メタンの酸化反応と酸素の活性化の反応場を分離することにより、メタンの酸化カップリング反応による選択的C_2炭化水素合成を目指す。本研究では、高い酸素イオン導電性を持つ複Sr-Co複合酸化物系をベースにメンブレン材料の物性制御(他の金属イオン添加、表面処理など)を行い、選択的メタン酸化カップリング用触媒メンブレン反応場システムの開発を目的とした。本研究においては、SrCoO_<2.5>酸化物系をベースにメンブレン材料の調製を行い、固体床流通式反応装置を用いたメタン-空気交互供給反応によりメタンと格子酸素イオンの反応性及び選択性を評価したところ、活性及び選択性が酸化物の焼成温度に大きく依存することを見出し、1223K焼成ではC_2炭化水素生成の選択率(>90%)は非常に高いものの、1443K焼成では選択性の大きな低下(35%程度)が観測された。また一方で、これらの物質を用いて作製したメンブレン反応器における選択性は、30%程度であった。このことから、固定床流通式反応装置を用いたメタン-空気交互供給反応がメンブレン反応器における選択性とよく対応するとは分かったものの、膜材料への加工の際の高温焼成により炭化水素生成の選択性が大きく減少することが分かった。そこでメンブレン材料の表面上に、メタンの酸化カップリング反応においてレドックス反応機構で進行することが知られているマンガン酸化物を担持したところ大きな担持効果が観測され、C_2炭化水素収率で約4倍程度にまで増加した。このような表面修飾によりメンブレンの高機能化が可能であることが分かった。