研究テーマ

Fe触媒を用いたメタンの分解による水素の製造

　メタンの分解は、可逆反応で高温で有利な吸熱反応であるため、高い平衡反応率が達成できる高温で活性が維持できる触媒が必要です。資源制約の観点からも豊富なFeを触媒に選定し、検討しています。

　　　　CH4　→　H2 + C

　この反応系は炭素析出反応なので、活性低下が大きな課題です。繊維状に炭素が成長することが活性維持に必要であることが知られていますが、さらに触媒表面での逆反応（水素による炭素のガス化反応）が活性維持に大きな影響を与えることを明らかにしてきました。炭素成長に有利なFe触媒の開発と触媒表面でのガス化制御による活性維持手法の開発を目的として検討しています。

繊維状に析出した固体炭素

多孔質炭素基材を利用した木質バイオマスの熱分解による燃料ガスと固定炭素の製造

　大気中の二酸化炭素は420 ppm程度であり、それを回収するのは大きなエントロピーロスがあります。バイオマス中の炭素は光合成から作られており、自然界の二酸化炭素濃縮装置という考え方ができます。一般的にバイオマスはカーボンニュートラルと言われており、燃焼でも二酸化炭素を排出したことにはならないと言われていますが、バイオマス中の炭素を固体炭素として固定できれば、カーボンネガティブで空気中の二酸化炭素を炭素に固定したことになります。

　バイオマス中の炭素を固定する手法としては熱化学変換（熱分解）が有効ですが、一般的に炭素収率は低く、多くは揮発分として系外に排出されます。そこで多孔質炭素を共存させることにより、炭素表面での炭素析出反応を促進し、固体炭素として回収する手法を開発しました。

木質バイオマスの熱化学変換による炭素固定の概念図 

使用済み吸水性シートの熱化学変換による有用物への転換

　おむつやペットシートに使用されている吸水性ポリマーは、使用後はほぼすべて焼却処分されています。プラスチック（PEやPPなど）、紙（パルプ）、吸水性ポリマー（ポリアクリル酸Naなど）が主成分で、このような全く異なる性質の混合物なためにリサイクルは難しいと考えられてきました。これまでに、適切な熱化学変換条件を選べば水に可溶な成分に転換することを見出しました。また、水に溶けていても多価カチオンでセ移出させることで固体として回収することができることも示してきました。このような手法を応用して吸水性シートのリサイクル手法の設計を検討しています。  

炭素担体系二元機能触媒の製造とCO2のメタネーション

　水素によるCO2のメタネーションは、既存の天然ガスラインを利用できるため、CO2の有効利用と水素キャリアの点から非常に注目されています。CO2のメタネーション反応はサバティエ反応として知られており、多くの触媒が開発されています。サバティエ反応は大きな発熱反応であるため、高温では平衡による制限があります。また、CO2の濃縮プロセスでのエネルギー消費も大きいです。

そこで、CO2の吸収能とメタネーション能を併せ持つ二元機能触媒（DFM: Dual Function Materials）が提案されています。アルカリ金属やアルカリ土類金属はCO2を炭酸塩として固定できるので、メタネーション活性の高いニッケルと組み合わせることでDFMとすることができます。当研究室で培った炭素担持Ni触媒にアルカリもしくはアルカリ土類金属を担持してDFMとしての利用を検討しています。

DFM機能の概念図

Kosaka et al., ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 3452-3463

PEMFC内の固体高分子膜の化学劣化シミュレーターの開発

　固体高分子型燃料電池（PEMFC）は、水素と空気を原料として80℃で作動する燃料電池で、燃料電池自動車や家庭用コージェネレーションシステム（電気と給湯）に利用されています。燃料電池システムは10～20年という長い寿命が求めらており、各構成部品の耐久性を評価して寿命を予測できるシミュレーターの開発が進められています。

　ナフィオンに代表される固体高分子膜は、燃料電池セル内で発生した活性なラジカル種（OHラジカル等）による膜の分解反応で化学的に劣化すると言われています。しかしながら、実際の燃料電池セルでは触媒層やGDLなどの部材もあり、膜の劣化度を評価するのは困難でした。そのため、膜単独で化学劣化できる装置を開発し、分解速度を定式化してセル内の条件での化学劣化を表現できるシミュレーターの開発を行っています。

PEM分子とOHラジカルとの反応の流れ