炭化水素部分酸化のための酸素選択透過膜型反応器の開発

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Au|YSZ|Ag電気化学セルのAu電極上にMoとVとを反応性スパッタリングにより同時に積層させ、Mo-V-O/Au|YSZ|Agセルを作成し、AuおよびAg両電極間に外部回路から電位を引加して、Mo-V触媒に格子酸素由来の活性酸素を供給しつつ、この触媒上で500℃でエタンおよびプロパンの酸化反応を行った。生成物は主として酸化脱水素によると考えられるエチレンおよびプロピレンであり、MoとVとの組成によってその生成速度は大きく変化し、Mo/V比がほぼ1で最高の値を示した。この組成ではMoV_2O_8の結晶構造が大きく成長しており、さらにその結晶成長と酸化活性に関して検討を行った結果、[001]面がプロピレン生成に、[110]がエチレン生成に有効であることが分かった。また、Mo/V比が1のMo-V複合酸化物膜上にMoO_3を積層させると、プロピレンからアクロレインの生成が認められた。これはMoV_2O_8上で生成したプロピレンがMoO_3上で酸化されてアクロレインとなったものと考えられ、アルカンの一段酸化で含酸素化合物の生成に成功した。さらに、各種の担持Ni触媒をAuペーストとともにYSZ上に貼り付け、焼成して調製したNi触媒-Au|YSZ|Ag電気化学セルを用いて、YSZ経由で酸素をポンプしながら900℃でメタンの部分酸化反応を行った。各種のNi触媒中では固相晶析法で調製したものが最も優れた活性を示し、反応温度を低下させてもほぼ熱力学的平衡値のメタン転化率を示した。これはこのNi触媒が高分散で且つ安定なNi金属微粒子を有することによると考えられ、この触媒を用いることにより空気中からの酸素の分離とメタンの部分酸化反応を一体化させた反応装置の開発が可能であることが分かった。