| 研究課題/領域番号 |
17H01340
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
林 潤一郎 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (60218576)
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| 研究分担者 |
工藤 真二 九州大学, 先導物質化学研究所, 准教授 (70588889)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 炭化物 / ガス化 / バイオマス / 褐炭 / 反応速度論 / 無触媒および触媒反応 / 反応機構 / 炭素質構造 |
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| 研究実績の概要 |
当初計画の通り、Task 1(無触媒ガス化速度測定・評価法確立)、Task 2(チャー炭素構造評価)、Task 3(炭素の化学構造モデル構築、準備研究)、Task 5（触媒ガス化）に取り組んだのに加えて、当初は平成30年度以降に計画していたTask 6(触媒初期化性および失活速度論の因子抽出)、Task (触媒反応モデル構築)およびTask 7(無触媒・触媒並列反応モデル構築)への取り組みを開始し、成果を得た。以下に得られた知見をまとめる。
Task 1においては、既往の手法を改良方法によって脱金属・鉱物した褐炭由来のチャーのガス化速度は転化率～95%付近まで一次の速度論に従うことを示し、その後の最終段階における比速度増大はわずかに残留する金属種のクラスタリング（触媒能発現）によると予想するに至った。Task 2の知見より、比表面積、FTラマン分光による炭素結合形態分布は、少なくともそのままではガス化反応速度論の支配因子にはならないという極めてクリティカルな結果を得た。これを踏まえ、Task 3の課題（平成30年度）を再整理した。Task 5では、ナノシリカ粒子と石炭の複合化・炭化法を開発し、得られたチャーのガス化速度解析から、intrinsic触媒、とくに触媒前駆体はガス化前にシリカとの反応によって失活するが、ガス化開始後は自己失活することを初めて明らかにした。さらに、Task 6～8では、バイオマス（バガス）および褐炭由来のチャーのガス化速度解析を行い、無触媒ガス化が一次の速度論に従うこと、触媒ガス化がゼロ次の速度論に従うこと、初期触媒活性は金属種含有率とシリカ含有率に支配されること、さらに、ガス化中の触媒失活は自己失活機構に従うことを仮定する新規無触媒・触媒ガス化並列反応モデル（新規開発）によって、全転化率（～99.9%）の範囲で定量的に記述できることを示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初計画したTask 1、Task 2、Task 3、Task 5のいずれにも着手し、平成29年度末までの進捗状況（当初計画）に十分到達した。さらに、当初は平成30年度に開始する計画であったTask 6～8にも着手し、Task 8の目標である触媒・無触媒並列反応モデルの第一バージョン（バイオマス、褐炭チャー、ガス化剤＝CO2）をすでに構築し、ガス化速度論の全転化率範囲における定量的記述が可能であることを示すことができた。以上のように、全体としては当初の計画（申請書）以上に研究が進捗していると自己評価する。さらに、転化率の異なるチャー粒子の丁寧なトンネル顕微鏡観察によって、炭化物がサイズ数nmの粒子（マイクロドメイン）から構成されており、その単位で均一的無触媒ガス化反応が進行すること（一次速度論のマイクロスケール証明）を明らかにしたのは初めてである。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究は当初計画よりも進捗しているが、Task 1（平成29～30年度）においては未解決の課題もある。それは、intrinsicな金属の完全除去（残留金属種濃度＜10 ppmw）である。これを達成し、数十年にわたる未解決課題：無触媒ガス化速度論（一次か否か）、に決着をつける。Task 5においては、脱金属した原料ないし炭化物にカリウムを再現よく高分散担持する手法、揮発性のあるカリウムの定量法、炭素質中に分散するカリウムの化学形態・分散状態の計測法と記述法を開発し、これをもとにカリウムを触媒とするガス化の速度論を詳細に検討し、従来誰も達成できていない全転化率範囲にわたる触媒活性変化の定量的記述が可能なモデル（平成29年度に完成、有効性を実証した第一バージョンをベースとする）の開発に挑戦する。以上を達成できれば、研究期間1年（平成31年度）を残して本研究の最終目標である新学理の確立に大きく近づくことができる。
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