| Project/Area Number |
23H00530
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
福原 長寿 静岡大学, 工学部, 教授 (30199260)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 芳海 静岡大学, 工学部, 准教授 (50334959)
孔 昌一 静岡大学, 工学部, 教授 (60334637)
立川 雄也 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70587857)
渡部 綾 静岡大学, 工学部, 准教授 (80548884)
小倉 鉄平 関西学院大学, 工学部, 教授 (90552000)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥47,450,000 (Direct Cost: ¥36,500,000、Indirect Cost: ¥10,950,000)
Fiscal Year 2025: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000)
Fiscal Year 2024: ¥14,560,000 (Direct Cost: ¥11,200,000、Indirect Cost: ¥3,360,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000)
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| Keywords | CO2資源化 / メタネーション / ドライ改質反応 / 固体炭素捕集 / 構造体触媒システム / グリーンハウスガス / CO2処理 / メタン化反応 / オートメタネーション / 構造体触媒 / 固体炭素 / 合成ガス / ドライリフォーミング |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、温室効果ガス(GHG)であるCO2を触媒材料により化学変換し、その削減と資源化を図るCCU型触媒プロセスを構築する。具体的には、プロセス排出のCO2ガス（CO2＋空気成分、CO2の分離・濃縮なし）からメタン化反応でCH4を製造し、製造CH4をCO2とのドライ改質反応で合成ガス（CO+H2）へと変換する。そして、この合成ガスから固体炭素を捕集しつつ、フィッシャー・トロプシュ(FT)反応でグリーン系炭化水素資源を製造する触媒プロセスを構築する。いずれの触媒変換システムも、原料の大量処理と熱エネルギーの効率的な制御を実現する構造体触媒システムで構築することを基本としている。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、産業プロセス排ガス中のCO2を構造体触媒システムで処理し、燃料となるCH4やC1化学産業の原料となる合成ガスを製造すること、また合成ガスから固体炭素を連続的に捕集する触媒反応プロセスを構築する。COP26会議で我国が宣言した、CO2の削減値目標に貢献する触媒反応プロセスの開拓が目的である。今年度の研究実施から以下の研究成果を得た。
１．構築した触媒変換プロセスは、メタン化反応(第一段階)で供給するH2量を通常の量論比４よりも少なくする(量論比２～３)ことが可能であり、このH2量の減少がプロセス全体の反応効率性を高めることがわかった。
２．第一段階でのH2量の減少は、ドライ改質反応(第二段階)で使用する構造体触媒の改質機能にもプラス効果をもたらし、反応後の触媒物性解析からドライ改質触媒の炭素析出耐性が向上していることが判明した。加えて、固体炭素捕集プロセス(第三段階)においても、第一段階でのH2量の削減が捕集機能にプラス効果をもたらし、量論比２～３で最も効率的な炭素の捕集率が得られた。
３．炭素捕集プロセスについて、化学工学的な要素因子の影響を検討したところ、供給したCO2の56%の炭素を捕集することに成功した。この捕集率の達成は、本処理技術がCOP会議の約束草案に貢献できる技術の一つになり得ることを示唆している。
４．エクセルギーによる連結型反応プロセス全体のエネルギー効率性の評価から、本CO2変換システムが熱力学的に優位性をもつことが判明した。特に、メタン化反応場だけの単独CO2処理がエネルギー効率を大きく損なう結果に対し、本連結プロセスでは投入エネルギー以上の効率性を実施できることが判明した。
５．スパイラル形構造体触媒の流体力学的なシミュレーション解析から、触媒表面上に形成するスワール流れによる物質移動と熱移動の加速効果がCO2変換効率を高めていることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
メタン化反応場における使用H2量が量論比４以下で充分であるとの新しい知見を獲得し、また固体炭素捕集場における捕集率56％を達成したことは計画以上の進展である。加えて、構造体触媒(スパイラル形)の高機能性を数値シミュレーションから流体力学的に解明することができたことは、研究推進を加速化している。
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| Strategy for Future Research Activity |
Ｒ６年度の実施で得られた知見をもとに、産業排出CO2ガスの資源変換をさらに高効率化する連結型触媒反応プロセスの構築を目指して以下の項目について研究を進める。
１．炭素捕集プロセス(第三段階)に関して、炭素捕集率をさらにアップする（目標：捕集率60％以上）ための反応工学的な要素技術の関連性を検討する。そして、個々の操作パラメータが捕集率に及ぼす影響を調査し、捕集率アップ要因と反応操作との学術的な相関性を調査する。
２．メタン化反応プロセス(第一段階)＋ドライ改質プロセス(第二段階)の知見から、逆水性ガスシフト反応によるCO2から炭素捕集を実施する連結型触媒プロセスについて検討する。その際、使用するH2量の削減効果に着目し、変換プロセス全体のエネルギー利用の効率性を検討する。
３．２の実施においては、逆水性ガスシフト反応のための構造体触媒(スパイラル形)を開発する。金属基材上へ析出させる触媒成分はCu系を基本とし、簡便で機能的な触媒調製を可能とするelectroless plating法を用いて検討する。
４．３の実施で得られた逆シフト反応に高性能なCu系構造体触媒について、物理化学的な物性測定（表面構造、元素分布状態、電子的特性など）を実施する。そして、これら物性データから触媒の耐久性の最適化やさらなる長期化の方策を検討する。
５．構造体触媒の高機能性について、シミュレーションによる流体力学解析をさらに駆使して検討する。その際、メタン化反応場を対象としつつ、スワール流れの効果と触媒反応速度の促進効果との相関性に着目した検討を実施する。
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