Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

金属微粒子内包 / ゼオライト / メタン改質 / 二酸化炭素 / 合成ガス / メタンドライ改質 / ゼオライト内包Ni微粒子触媒 / Silicalite-1 / Niフィロシリケート / 炭素析出抑制 / シンタリング抑制 / 金属微粒子触媒 / 多孔質触媒

令和3年度(2021年度)は，主にNi@Silicalite-1の開発と600℃と850℃におけるDRM反応試験を実施した．アモルファスシリカに酸化ニッケル（Niフィロシリケート，Ni-PS）を固定化したNi-PS/SiO2をNi源としてゼオライト合成母液に投入し，水熱処理を施すことにより，Silicalite-1の1次粒子粒界にNi-PSが形成された．水素還元後にNi-PS中の酸化Ni種が還元されてNi微粒子となりSilicalite-1の1次粒子粒界，すなわちゼオライト粒子内にNi微粒子が内包されたNi@Silicalite-1触媒が得られた．同様の方法により，Co-PS/SiO2をCo金属源とし，Co微粒子を内包させたCo@Silicalite-1の調製も成功した．
Niフィロシリケートの担持量は還元後のNi微粒子サイズに影響する．Ni担持量3wt%～5wt%のNiフィロシリケートをゼオライト合成母液に投入し，Ni@Silicalite-1を調製した（Ni担持量は0.5wt%～3wt%）．Ni担持量が2wt%までのNi@Silicalite-1では，Silicalite-1粒子内に微粒子状のNiが固定化されていることを確認した．上記で調製したNi@Silicalite-1を触媒に用い，メタンの二酸化炭素改質反応（DRM反応）活性試験を実施した．常圧固定床流通式反応器を用い，標準的な反応条件は原料ガス比CO2/CH4=1.0，反応温度650℃と850℃とする．低反応温度（650℃）でDRM反応を実施した．反応前後の触媒のNi粒子サイズは約5nm程度であり，シンタリングが抑制されていることを確認した．また，反応前後における細孔容積と結晶性の変化は微笑であり，炭素析出量は0.5wt%程度以下に抑制されていることを確認した．

ゼオライト / 無機膜 / 分離 / ドライゲルコンバージョン / 気相輸送法 / 合成 / 二酸化炭素 / ZSM-5 / 炭化水素

ゼオライト膜の合成条件を確立し、透過、分離、反応試験に境するアイテムを揃えることを目標とした。合成方法は、乾燥ゲルを有機結晶化剤蒸気や水蒸気中で結晶化させる方法(ドライゲルコンバージョン法)を用いた。検討したゼオライトは、SiO_2/Al_2O_3=50とローシリカなMFI型ゼオライトであり、平均細孔径0.1μmの多孔質アルミナ平板上に製膜した。原料ゲルの調製条件、ゲルの製膜条件、結晶化条件などを詳細に検討し、緻密な膜の調製条件を検討した。特に、緻密な膜の合成条件はアルカリ濃度であった。Na_2O/SiO_2=0.19〜1.14、H_2O/SiO_2=40〜120の範囲で結晶化を検討した。Na_2O/SiO_2=0.32-0.41、H_2O/SiO_2=80にて緻密なMFI膜が得られた。l,3,5-トリイソプロピルベンゼン-(TIPB)の透過流束は測定限界(1×10^<-10>mol m^<-2>s^<-1>Pa^<-1>)以下であった。TIPBはMFI型ゼオライトの細孔より大きく、TIPBの透過は膜が緻密でないことを表している。断面SEM観察より、膜の緻密な部分はアルミナ支持体とゼオライトのコンポジット層であり、コンポジット層の厚みが膜の緻密さに影響を与えていることが示された。また、単成分ガス透過試験では、二酸化炭素の透過速度が窒素やメタンより大きかったため、Knudsen拡散以外の透過機構の寄与があることが示された。原料ゲルのSiO_2/Al_2O_3=50とローシリカなMFI型ゼオライト膜の開発に成功し、TWBの透過試験より緻密な膜であることを示した。

圧力スイング吸着 / PSA / 空気分離 / 二酸化炭素 / ゼオライト / 圧力スイング吸着法 / 高速吸脱着サイクル

圧力スイング吸着法(PSA)の応用分野を一層拡大するための小規模、大容量、省エネルギー化には、既に画期的な技術のブレークスルーが必要となっており、新吸着剤の開発から全く新規の操作法の開発に至るあらゆる段階の研究が行われている。本研究は吸脱着サイクルの超高速化に注目し、吸脱着サイクルタイムがこれまでのPSAに比べて極端に短いsec〜msecオーダー程度の超高速PSAを開発した。
1.ピストン駆動型超高速PSAの開発
空気からの酸素濃縮をモデルケースとして取り上げて、試作実験装置による実験と簡便な数理モデル計算によってピストン駆動型超高速PSAを開発し、その基礎特性を明かにした。本PSAは吸気・排気をピストンの上下運動で行うために、目標のsec〜msecオーダー程度の超高速PSAが可能であった。
2.燃焼排ガスからの二酸化炭素の回収への応用
本PSAを、今日社会的ニーズの高い燃焼排ガスからの二酸化炭素の回収に応用することを検討した。この用途には新しく疎水性ゼオライトを開発し使用することが必要であることが明かとなり、この結果に対応することで水蒸気共存下でも十分な二酸化炭素の回収が可能となった。
3.ハニカムゼオライトを提案と試作
本PSAの性能をさらに高めるために低圧損型吸着剤としてハニカムゼオライトを提案しこれを試作した。実験及び計算機シミュレーションによる検討から設計指針は確立されたものの、その試作にはさらなる技術的な改善も必要であることが今後の課題として残された。

【研究分担者】
木村健太郎	東京工業大学	物質理工学院	助教	(Kakenデータベース)
藤墳大裕	東京工業大学	物質理工学院	助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
泉順	三菱重工業(株)	長崎研究所	主任研究員
酒井康行	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)
迫田章義	東京大学	生産技術研究所	助教授	(Kakenデータベース)
JUN Izumi	Mitsubishi Heavy Industries Nagasaki Research Center Chief Researcher