新規カプセル型触媒の設計と応用研究

カプセル型触媒とはコア-シェル型構造を持つ触媒のことである。カプセル型触媒では,コアである触媒とシェルの触媒膜に,各々別の反応をさせると共に,シェル触媒膜にゼオライト等の形状選択的触媒を用いることにより,新しい触媒反応の協奏機能および反応分離プロセスを実現できる。カプセル型触媒での反応では,原料はシェルの触媒膜を通り,コアの触媒に到達し中間生成物を生成する。中間生成物はシェルの触媒膜を通過する際,形状選択的触媒の作用を受け,目的とする構造を持つ生成物を製造する。本研究ではこのゼオライト膜を持つカプセル型触媒の反応場を設計し,新しい触媒反応場の開発を行う。シェル触媒膜と原料分子あるいは生成物分子の間の相互作用を検討し,各種ゼオライト膜及びメソポーラス膜を触媒ペレット表面へ構築し,より多彩なカプセル触媒を調製し,複数の化学反応を同時にできる触媒システムの構築の研究を行う。ガソリンの代用品としての高品質クリーン燃料の合成は、原油危機および環境への影響の関心とともにますます要求が高まってきています。フィッシャー・トロプシュ(FT)反応生成物は主に脂肪族炭化水素のパラフィンです。また、FT生成物の分布はASF分布に従います。本年度の研究はFT合成触媒(Fused iron)とゼオライト等の固体酸触媒を組み合わせた高機能カプセル触媒を開発し、FT反応と生成物の改質反応(異性化反応と水素化分解反応)を同時に行った。コアの触媒でFT合成反応が起こり、重質炭化水素が生成するが、これはシェル触媒である固体酸触媒上で分解するため、反応器の閉塞と触媒の失活を防ぐと共に生成物も軽質化し、更に生成物は分枝炭化水素が生成するという優れた性能を示し、LPGおよびガソリンを高収率で製造することができた。また合成ガスから直接ジメチルエーテル(DME)を合成できるカプセル触媒の開発も行った。このカプセル触媒はコアにメタノール合成触媒(Pd/SiO_2)を,表面にHタイプのゼオライト膜を持つ。DME合成では合成ガスはゼオライト膜を通過してPd/SiO_2触媒に到達し,メタノールを生成する。メタノールはゼオライト膜を通って触媒外に拡散する際,脱水反応を受けDMEを生成する。ゼオライト膜の調製には、まず最初にSilicalite-1膜を調製し、次にH-ZSM-5膜の調製を行ったが,Silicalite-1膜はまずコアのPd/SiO_2触媒表面で成長して、それをキャリヤーにしてH-ZSM-5膜が生長する。これらの2層膜カプセル触媒によるDMEの直接合成では,高い選択率でDMEの合成を行うことが出来た。

カプセル型触媒とはコア-シェル型構造を持つ触媒のことである。カプセル型触媒では,コアである触媒とシェルの触媒膜に,各々別の反応をさせると共に,シェル触媒膜にゼオライト等の形状選択的触媒を用いることにより,新しい触媒反応の協奏機能および反応分離プロセスを実現できる。カプセル型触媒での反応では,原料はシェルの触媒膜を通り,コアの触媒に到達し中間生成物を生成する。中間生成物はシェルの触媒膜を通過する際,形状選択的触媒の作用を受け,目的とする構造を持つ生成物を製造する。本研究ではこのゼオライト膜を持つカプセル型触媒の反応場を設計し,新しい触媒反応場の開発を行う。シェル触媒膜と原料分子あるいは生成物分子の間の相互作用を検討し,各種ゼオライト膜及びメソポーラス膜を触媒ペレット表面へ構築し,より多彩なカプセル触媒を調製し,複数の化学反応を同時にできる触媒システムの構築の研究を行う。ガソリンの代用品としての高品質クリーン燃料の合成は、原油危機および環境への影響の関心とともにますます要求が高まってきています。フィッシャー・トロプシュ(FT)反応生成物は主に脂肪族炭化水素のパラフィンです。また、FT生成物の分布はASF分布に従います。本年度の研究はFT合成触媒(Fused iron)とゼオライト等の固体酸触媒を組み合わせた高機能カプセル触媒を開発し、FT反応と生成物の改質反応(異性化反応と水素化分解反応)を同時に行った。コアの触媒でFT合成反応が起こり、重質炭化水素が生成するが、これはシェル触媒である固体酸触媒上で分解するため、反応器の閉塞と触媒の失活を防ぐと共に生成物も軽質化し、更に生成物は分枝炭化水素が生成するという優れた性能を示し、LPGおよびガソリンを高収率で製造することができた。また合成ガスから直接ジメチルエーテル(DME)を合成できるカプセル触媒の開発も行った。このカプセル触媒はコアにメタノール合成触媒(Pd/SiO_2)を,表面にHタイプのゼオライト膜を持つ。DME合成では合成ガスはゼオライト膜を通過してPd/SiO_2触媒に到達し,メタノールを生成する。メタノールはゼオライト膜を通って触媒外に拡散する際,脱水反応を受けDMEを生成する。ゼオライト膜の調製には、まず最初にSilicalite-1膜を調製し、次にH-ZSM-5膜の調製を行ったが,Silicalite-1膜はまずコアのPd/SiO_2触媒表面で成長して、それをキャリヤーにしてH-ZSM-5膜が生長する。これらの2層膜カプセル触媒によるDMEの直接合成では,高い選択率でDMEの合成を行うことが出来た。