氷点下領域で機能する極限環境触媒システムの創製

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21107
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 渡部 綾 静岡大学, 工学部, 准教授 (80548884)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福原 長寿 静岡大学, 工学部, 教授 (30199260)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 極限環境触媒 / 氷点下 / 核磁気共鳴 / 熱電変換

Outline of Annual Research Achievements

氷点下領域で機能する触媒の開発は，これまで注目されてこなかった。それは，反応場で水が副生する場合，その凍結による触媒劣化が最大の理由である。本研究は，この水の凍結を過冷却現象で回避しつつ，氷点以下の過酷な環境においても高い触媒作用を発揮する極限環境触媒システムの創製に挑戦するものである。具体的には，冷凍庫内の汚染ガスであるリモネンの分解除去反応を一つの題材とし，核磁気共鳴と熱電変換を活用した非凍結性水分子の創生と触媒速度の加速で極限環境下における物質変換を実現する。そこで研究期間の初年度は，冷凍庫内における汚染ガスであるリモネンの分解除去反応を一つの題材とし，反応システムの構築と装置の健全性を把握すること，そして触媒機能性の評価を実施した。
反応原料供給部，ガスライン，温度可変の冷却反応器からなる反応システムを構築し，装置を稼働させた。室温付近から反応場の温度をマイナス20度まで精密に制御可能であることを確認し，反応ガスを供給して，その物質収支を評価した。反応器へのリモネンの流通に際し，凍結・凝固などによる反応管の閉塞などなく，原料供給できることを確かめた。また，リモネン濃度を変化させて供給した場合でもスムーズな原料供給を達成し，反応器の前後で物質収支に問題ないことを把握した。さらに，室温を反応温度とし，白金系触媒を利用することにより，リモネンの分解酸化除去を検討したところ，分解反応が進行することを明らかにした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

温度可変の冷却反応器からなる反応システムの構築に予想以上に時間を必要としたため，当初予定していた氷点以下におけるリモネン除去反応に対する触媒性能の評価や磁場印加による反応促進効果の検証には至っていない。研究推進にやや遅れが生じているものの，触媒機能性の評価のための反応システムは既に構築し，その健全性も把握している。また磁場印加装置も既に完成している。そのため，令和三年度の早期に遅延を取り戻せるものと考えている。

Strategy for Future Research Activity

令和三年度は，氷点以下における触媒の除去特性を把握し，氷点において触媒劣化の進行を確認し，吸着水の凍結が触媒劣化に及ぼす重要な因子であることを検討する。次に，リモネンの除去反応に対して高性能な触媒をディスク状に成形し，磁場を印加して反応を実施する。磁場周波数や磁場強度を調節して触媒劣化に与える影響を調べ，核磁気共鳴が良好な性能を示す要因であることを明らかにする。
最終年度では磁場印加と温度差印加を組み合わせたシステムを構築するため，触媒に温度差を与えることで，リモネンの除去特性を検討する。低温側である反応場は室温に設定し，高温側の温度を上げて，温度差を拡げる。温度差の拡張により熱起電力を増幅し，温度差の有無が反応促進に効果的であるか検証する。

Causes of Carryover

令和二年度に予定していた磁場印加によるリモネン分解除去の開発が遅延し，次年度も継続して開発することになったためである。磁場印加による触媒反応システムの開発は，これまでにほとんど報告例がなく，新規な反応系である。最も困難と考えられる検討事項を解決したため，次年度は触媒開発を速やかに実施し，磁場印加による触媒システムを構築し，予算を執行できるものと考えられる。