【メタン酸化カップリング】早稲田大学、反応メカニズム解明

　JST戦略的創造研究推進事業において、早稲田大学理工学術院の小河脩平助教と関根 泰教授らの研究グループは、低温下でメタン酸化カップリングが起こる反応メカニズムを、世界で初めて明らかにした。
　現在、シェールガス革命を背景とした天然ガスの供給増加や価格の適正化により、天然ガスを原料とする新たな化学品製造技術が望まれている。天然ガスの主成分であるメタン（CH4）は炭素を1原子含むが、石油化学の基幹原料であるエチレン（C2H4）は炭素を2原子含み、C − C結合を有する。メタンからエチレンに直接転換できるメタン酸化カップリングは、天然ガス有効利用法の1つとして注目されている。しかし、従来メタン酸化カップリングは700℃以上の高温条件下で行われており、高い耐熱性を持つ高価な反応器材料が必要であること、高温にさらされることによる触媒の劣化、反応性の高いエチレンが逐次的に酸化されることによる選択性の著しい低下などが問題となり、実用化には至っていない。
　本研究グループは、メタン酸化カップリングのような従来高温を必要とする反応を、電場中で触媒反応を行うことで、150℃という画期的な低温で進行させ、天然ガスの主成分であるメタンと空気中の酸素から効率的にエチレン等のC2炭化水素を合成することに成功している。この反応メカニズムとして、電場印加によって触媒の格子酸素が活性化されることで活性酸素種となり、この活性酸素種の消費と再生を繰り返す酸化還元型の機構で触媒反応サイクルが回ることを見いだした。150℃という低温で酸化還元サイクルが回るという現象はこれまでに報告がなく、世界で初めての発見といえる。
　本研究で見いだした反応メカニズムは、高温の熱源や大規模な熱交換器が不要であるため、設備導入コストや運転コストを抑えた実用化可能なプロセスとなりえる。低コスト化により、スケールメリットの出にくい中小規模のガス田の利用も可能になる。また、酸化還元型で進行するさまざまな触媒反応に応用展開が可能であり、低温駆動ゆえに高い選択性や安定性、エネルギー効率が期待できる。
　本研究成果は、2018年1月22日（米国東部時間午前1時）発行のアメリカ化学会『Journal of Physical Chemistry C』オンライン版に掲載予定。