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2014 年度 実施状況報告書

光触媒水素発生反応を組み合わせた完全バイオマスリフォーミングの構築

研究課題

研究課題/領域番号 26410055
研究機関宮崎大学

研究代表者

保田 昌秀  宮崎大学, 工学部, 教授 (00174516)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード白金担持酸化チタン / 光触媒リフォーミング / バイオ燃料化 / リグノルロース / グリセロール / 隣接ヘテロ原子アシスト効果
研究実績の概要

1) リグノセルロース(タケ、イナワラ、ススキ)の同時糖化発酵(SSF)→キシロースの光触媒水素転換(PR)によるバイオ燃料化について検討した。リグノセルロースのアルカリ処理物をセルラーゼ、キシラナーゼおよび酵母菌を用いてSSFを行い、エタノールとキシロースを得た。次にキシロースを犠牲剤とする白金担持酸化チタンによるPRを行った。水素発生収率はそれぞれ74%~97%であった。エネルギー変換効率をエタノールおよび水素の合計の燃焼熱で比較すると、タケ、ススキ、イナワラに含まれる糖質の燃焼熱を基準として、それぞれ73.4%, 91.1%, 85.0%である分かった。
2) グリセロールは植物油類とメタノールとのエステル交換反応から副生物するものであり、これを犠牲剤に用いる白金担持酸化チタン光触媒水素発生反応を行った。植物油、メタノール、NaOHの混合物を61℃で1時間加熱した。分液操作によってグリセロール(溶液A)を収率73.3%で得た。また、バイオディーゼルの水洗浄によって、未反応メタノール(溶液B)を回収した。溶液Aおよび溶液Bを犠牲剤とする白金担持酸化チタン光触媒によって水素に変換した。燃焼熱で計算したエネルギー回収率はほぼ100%である分かった。副産物のグリセロールと未反応のメタノールを同時に水素の変換できるシステムとして有用であると思われる。
3) 我々は、アルコールを犠牲剤とする白金担持酸化チタン光触媒水素発生反応において、「すべての炭素に水酸基が置換した場合に、水素発生量が理論量に近くなる」という隣接酸素原子アシストを見出している。本研究では、犠牲剤にアミン類を用いて、水素発生収率を検討した。その結果、アミノ基の置換した炭素に隣接する炭素上に酸素原子および窒素原子などのヘテロ原子が置換すると水素発生収率が高くなることが分かった。これらの結果からアミンおよびアルコールについて「隣接ヘテロ原子アシスト効果」が確かめられた。

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

1. バイオマスとして5種類のリグノセルロースを用いて、生化学的手法(同時糖化発酵)と光触媒的手法を組み合わせて、エタノールおよび水素に高いエネルギー回収率で変換することに成功した。
2. 栽培系のリグノセルロースからのバイオエタノール生産では世界最高収率にあたる84.6%をイタリアンライグラスの同時糖化共発酵で達成することが出来た。
3. 従来廃棄物となっていたバイオディーゼル合成時の副産物であるグリセロールを有効に水素転換できる方法を示した。
4.従来からの経験として糖などのすべての炭素に酸素原子が置換した犠牲剤が犠牲剤として優れていることが分かっていた。そこで、本研究では収率と構造の関係を詳細に検討して、「隣接ヘテロ原子アシスト効果」を見出した。犠牲剤としての性能を構造で評価する方法として有用であると思われる。

今後の研究の推進方策

糖類を犠牲剤とする白金担持光触媒反応による水素発生を検討する。特に量子収率の測定によって、ヒドロキシラジカルによる水素引き抜きの反応速度定数を求める。糖には多くの立体異性体が存在するので、立体構造と反応速度定数の関係を明らかにする。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 5件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (2件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Fuelization of Italian ryegrass and Napier grass through a biological treatment and photo- catalytic reforming2015

    • 著者名/発表者名
      M Yasuda, Misriyani, Y. Takenouchi, R. Kurogi, S. Uehara, and T. Shiragami,
    • 雑誌名

      J. Sustainable Bioenergy Systems

      巻: 5 ページ: 1-9

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Italian ryegrass (Lolium multiflorum Lam) as High Potential Bio-ethanol Resource,2015

    • 著者名/発表者名
      M. Yasuda, Y. Takenouchi, Y. Nitta, Y. Ishii, and K. Ohta
    • 雑誌名

      BioEnergy Research

      巻: 9999 ページ: 999-999

    • DOI

      10.1007/s12155-015-9582-5

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Neighboring Hetero-atom Assistance of Sacrificial Amines to Hydrogen Evolution Using Pt-loaded TiO2-photocatalyst,2014

    • 著者名/発表者名
      M. Yasuda, T. Tomo, S. Hirata, T. Shiragami, and T. Matsumoto
    • 雑誌名

      Catalysts

      巻: 4 ページ: 162-173

    • DOI

      10.3390/catal4020162

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] New approach to fuelization of herbaceous lignocelluloses through simultaneous saccha- rification and fermentation followed by photocatalytic reforming2014

    • 著者名/発表者名
      M. Yasuda, R. Kurogi, H. Tsumagari, T. Shiragami, and T. Matsumoto,
    • 雑誌名

      Energies

      巻: 7 ページ: 4087-4097

    • DOI

      10.3390/en7074087

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Hydrogen production from residual glycerol from biodiesel synthesis by photocatalytic reforming,2014

    • 著者名/発表者名
      M. Yasuda, R. Kurogi, T. Tomo, and T. Shiragami
    • 雑誌名

      J. Japan Institute of Energy

      巻: 93 ページ: 710-715

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Synthesis of Mn-loaded TixSi1-xO4 composite acting as a visible- light driven photocatalyst2014

    • 著者名/発表者名
      ミスリアニ、エコ スリ クナルチ、白上努、保田昌秀
    • 学会等名
      、固体・表面光化学討論会
    • 発表場所
      京都大学楽友会館
    • 年月日
      2014-12-16 – 2014-12-17
  • [学会発表] New Approach to Fuelization of Lignocellulosic Materials through Photocatalytic Reforming2014

    • 著者名/発表者名
      M. Yasuda
    • 学会等名
      The 10th Korea-Japan Symposium on Frontier Photoscience (KJFP 2014),
    • 発表場所
      Ewha Woman University (Seoul, Korea)
    • 年月日
      2014-06-21 – 2014-06-23
    • 招待講演

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公開日: 2016-05-27  

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