九州大学 大学院農学研究院 森林資源科学部門 生物材料機能学講座 生物資源化学分野

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Catalyst班(C班)

 資源・環境・エネルギー問題が深刻化する中、固体触媒を用いる“グリーン”な物質変換に大きな期待が集まっています。材料・エネルギーの製造過程で、それ自身は変化することなく特定の化学反応のみを加速させる触媒作用は、次世代の物質変換プロセスの要です。特に、白金をはじめとする貴金属触媒は、優れた選択性や反応特異性により、幅広い目的で産業利用されています。しかし、急速な需要の増大が貴金属の資源枯渇という新たな問題を引き起こしており、触媒自体の高機能化に加えて、触媒材料としての高性能化に着目した材料開発の機運が高まっています。
 
 近年、固体触媒の金属組成や表面ナノ構造に加えて、触媒担体のマイクロ−マクロ構造の制御に注目が集まっています。固体触媒は粉末状では利用が限定されるため、ペレットやハニカムなどの成型加工が施されていますが、これらの既存材料では固形材料内部への拡散抵抗が大きく、材料表面での反応に限定されるため、十分な触媒性能が得られていません。Catalyst班(C班)では、身近な生活素材である「紙」が多孔質の繊維ネットワーク積層構造を持つことに着目し、その特徴的なマイクロ空間を触媒反応場として利用する新規な構造体触媒の開発を行っています。具体的には、以下の3つの研究テーマに取り組んでいます。
 

1. ペーパー構造体触媒による燃料電池用水素製造


 環境共生社会のエネルギー戦略として、有限・有害な化石資源の燃焼発電にかわり、水素と酸素から水を作る過程で電気エネルギーを生み出す燃料電池(Fuel Cell)に期待が集まっています。しかし、水素は非天然物であるため、水素含有物質の触媒改質により製造する必要があります。市販固形触媒の実用性能は十分ではなく、高効率な水素製造触媒の研究開発が希求されています。
 
 本研究では、安価な銅-亜鉛触媒をファイバーネットワーク構造体内に分散担持させた新規構造体触媒「ペーパー触媒」の開発を行っています。もともと紙は粉末保持性が高く、フレキシブルなシート状で取り扱いが容易かつ二次加工性に優れています。メタノールからの水素製造プロセスに供したところ、原料転化率の向上、水素生成量の増加、触媒被毒物質COの低減、改質反応の安定化、触媒耐久性の向上など、もとの固体触媒を超える優れた実用性能が得られました。ペーパー構造体独自の均一な内部マイクロ空間が、熱交換やガス拡散性に好適な触媒反応場として機能していると考えられます。ペーパー構造体触媒は、全く新規な構造体触媒であり、今後のさらなる高性能化とユニークな改質機構の解明に期待が持たれます。
 

2. ペーパー構造体触媒による自動車排出ガス浄化


 内燃機関を原動機とする自動車等からの排出ガスによる大気汚染が深刻化し、各国で排ガス規制が年々厳しくなっています。また、高性能な三元触媒として使われている白金等の貴金属は枯渇資源であるため、将来的に大幅な使用量削減が求められています。そのため、触媒自体の高機能化に加えて、触媒担体の構造制御による性能向上に着目した構造体触媒の研究開発の重要性が増しています。
 
 本研究では、貴金属触媒の多孔質担体として、ファイバーネットワーク構造を有する「ペーパー」に着目し、その特徴的な空隙構造を触媒反応場とみなして構造制御することで、実用材料としての利便性と性能向上を図っています。ペーパー触媒は高いNOx転化率に加えて、急激な昇温条件下においても触媒性能が低下せず、もとの触媒粉末を大幅に上回る熱応答性が得られました。また、熱伝導性カーボン繊維へのナノ粒子の担持とペーパー成型により、さらに高性能化が可能であることも見出しており、第3世代の新規構造体触媒としてのさらなる機能開発が期待されます。
 

3. Computational Fluid Dynamicsによる触媒材料開発


 熱流体を扱う材料開発において、計算流体力学(Computational Fluid Dynamics:CFD)が注目を集めています。近年、流れ場に化学反応を組み合わせたソフトウェアが市販され、触媒反応をコンピューター上で再現することも可能になっています。触媒担体開発においても、実際の触媒反応場をモニタリングすることは困難であるため、CFDシミュレーションによる開発支援に期待が集まっています。
 
 本研究では、メタノール水蒸気改質反応、部分酸化反応、水性ガスシフト反応とその逆反応を組み合わせることで、形状の異なる触媒材料の改質挙動をシミュレーションしています。触媒層の熱容量や熱伝導性などが複雑に関与することで、触媒反応は均一に進行していないことが可視化されており、特に触媒層下流の中央部で多量のCOが生成することを見出しました。また、この部分を単純に切り取ることで、原料転化率を維持したままCO濃度を大幅に削減することに成功しています。今後、より精密なモデルを構築することで、CFD支援による効率的なペーパー状構造体触媒材料の開発が可能になると期待されます。