| 研究課題/領域番号 |
23K04500
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27030:触媒プロセスおよび資源化学プロセス関連
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| 研究機関 | 山梨大学 |
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研究代表者 |
小俣 香織 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (50734133)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
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| キーワード | アクリル酸 / グリセロール / アクロレイン / バイオマス / 固体酸 / ニオブ / バナジウム / タングステン |
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| 研究開始時の研究の概要 |
バイオディーゼル燃料の連産品であるグリセロールから、超吸水性ポリマー等の原料となるアクリル酸を、ワンステップで高効率に合成可能な新規結晶性W-V-Nb系複合酸化物触媒を開発することが本研究の目的である。目的を達成するために「①結晶性W-V-Nb-Oの合成方法を確立」し、結晶構造が「②アクロレインをアクリル酸に転化するための酸化機能」および「③グリセロールをアクロレインに転化するための酸機能」に及ぼす影響を解明する。さらに「④触媒上で酸機能と酸化機能とが調和する最適反応条件」を明らかにする。得られた知見に基づき、結晶性W-V-Nb-O触媒による高効率アクリル酸ワンステップ合成技術を確立する。
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| 研究実績の概要 |
バイオマス由来グリセロールからの高効率アクリル酸ワンステップ合成を実現するために、新規結晶性W-V-Nb系複合酸化物触媒を開発することが本研究の目的である。ステップ①のグリセロールの脱水を阻害するMoを添加することなく、ステップ②のアクロレイン酸化に有効な直方晶および三方晶構造を有するMoフリーのW-V-Nb触媒を合成し、高効率アクリル酸合成を目指す。
本年度は触媒の結晶構造に及ぼす、リン添加とニオブ源の影響を調査した。シュウ酸ニオブアンモニウム（ANO）をニオブ源として用いた場合、直方晶や三方晶に特徴的な５員環や７員環などのユニットを有しているが、結晶が微細であり秩序構造を形成しなかった。また合成時にリンを添加しても、結晶構造に大きな違いは現れなかった。一方ニオブ酸（NBO）を用いて合成したW-V-Nb-Oでは、断面方向に1ユニットセル程度の大きさを有する直方晶が形成していることがTEM観察によって明らかになった。さらに合成時にリンを添加することによって直方晶を形成する範囲が広がり、断面が2ユニットセル程度の直方晶を得られた。またリン添加量を増やすと、直方晶に加えて三方晶の結晶が見られるようになり断面が5ユニットセル程度の三方晶を得ることに成功した。これらの触媒をステップ②のアクロレイン酸化に用いたところ、ANOを原料とした触媒ではリンの添加効果がほとんど現れなかった。一方NBOを原料とした触媒では、リンの添加によって転化率およびアクリル酸選択率が向上することがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和５年度には「リン添加量を変化させた触媒の調製」および「リン添加量を変化させた触媒の構造解析」を完了させる計画であった。研究実績の概要に示したように、リン添加量およびニオブ源を変化させた触媒の合成と結晶構造の解析を実施し、リン添加量やニオブ源を変化させると結晶構造の異なるW-V-Nb-Oを得られることを明らかにした。またリン添加によって得られる直方晶や三方晶のW-V-Nb-O触媒が、秩序構造を持たないW-V-Nb-Oと比較して高いアクリル酸選択性を示すことがわかった。以上の理由から、本研究はおおむね当初の計画通りに進行していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和５年度には、リン添加によって直方省や三方晶のW-V-Nb-O触媒を合成できることを明らかにするとともに、これらの結晶構造を有する触媒がアクリル酸合成に有効であることを示すことができた。令和６年度以降は合成時の原料濃度やpHなどを変化させることによって、より結晶性の高いW-V-Nb-O触媒の合成を目指す。得られた触媒を「ステップ①グリセロールの脱水」および「ステップ②アクロレインの酸化」に用いて、触媒の結晶構造が活性や選択性などの触媒性能に及ぼす影響を明らかにする。また合成した触媒の構造に基づいて活性点となるVや表面水酸基の状態を第一原理計算によって解析し、新たな触媒を設計するための知見を得る。さらに触媒上でステップ①とステップ②のの二つの反応をバランス良く進行させるため(i)反応物質と触媒との接触時間、(ii)反応ガス組成、(iii)反応温度など明らかにし、高効率アクリル酸合成を実現する。
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