最近のアンモニア研究について

アンモニア(NH3)が注目されている。
アンモニアは生活環境の中では嫌われ者だが、人間が生活して行く上では無くてはならないものなのだ。
日常生活中ではアンモニアの重要性は分かりにくいが窒素供与物質として、これまで大量の肥料として世界中の農業で食料の増産を助け、人類を食糧危機から救ってきた。
また様々な食品、医薬品や化成品の原料として利用される等極めて重要な物質なのだ。
しかし近年は別の新しい応用が注目されている

1.火力発電所の燃料として
化石燃料を燃やして発電する火力発電では、大量の温暖化ガスである二酸化炭素CO2を排出する。
この化石燃料の変わりにアンモニアを使えば炭酸ガスは出さない。だが窒素酸化物(NOx)がでる。
さらに発電所では排出濃度5PPM以下の規制があるのでこれをクリアすることが課題となっている。
2.燃料電池の燃料として
燃料電池と言えばその燃料は水素(気体)だが、その製造方は現在いろいろな方法がある。
また水素は取扱い(運搬や貯蔵)が難しい(高額の設備が必要)といった問題がある。
そこで燃料としてプロパンと同様の貯蔵・運搬等の取扱いが容易なアンモニアから水素を取り出して燃料電池とする方法が注目されている。

3.新規触媒の開発によるアンモニア新合成法

アンモニアの新しい製法が現在非常に注目されている。
それは、アンモニアは以前のブログにも書いたが100年前に開発されたハーバー・ボッシュ法(後記参照)が現在なお使われているのだ。これまでにも各種の方法が開発されてきたが、採用された方法はない。
しかしながら、ハーバー・ボッシュ法は、鉄系触媒の下、高温、高圧(約400℃、200気圧)という非常にエネルギーを使う方法なので大型のプラントが必要だった。(其のために貯蔵、運搬等の設備も必要となる。)
従ってより小スケールでも生産できる省エネルギー合成法が求められていた。

ところが2015年東工大の細野教授らが開発した新触媒が、求められている新規の合成法となることが分かったのだ。
この触媒を使用すればハーバー・ボッシュ法より大幅な省エネルギー(350℃、常圧(1気圧))での合成が可能なのである

細野教授の今回の触媒発見までの詳細な経緯及び触媒組成、メカニズム等は後記文献に譲るが、
概略を記すと次のようである。

・名古屋工業大学の助手の時学生たちが作っているセメントが白い原料にも拘らず着色していることを不思議に思ったこと。
・その後そのセメント物質C12A7(12CaO・7Al2O3)が面白い性質を持つため徹底的に研究した。
・其の物質がカゴ構造であることを解明し、更に中に酸素イオンがトラップされていることを発見した。
・その酸素イオンをチタン金属と反応させ、TiO2となった後にカゴ内に電子がある、いわゆる電子化物(エレクトライド)(C12A7/e)に変えた。
・これがかつて有名になったセメント材料が超電導体になった話だ。
・細野教授はもともとアンモニア合成に興味をもっていたのでアンモニア合成に使えないかと考え、ルテニウム金属の微粒子をそのエレクトライドのカゴの上に載せた(分子的に)物が、これまでのアンモニア合成触媒の10倍位上の性能を持っていることを確認した。(ルテニウムRuは既に触媒として実績がある金属、周期律表で鉄の下)

(東工大資料より)

・触媒のメカニズムとしては、まずルテニウム微粒子が表面に窒素分子と水素分子を吸着し、水素分子を切断して水素原子を内部のカゴに取り込む。次に窒素分子の三重結合を切断し、カゴから出てきた水素原子イオン(マイナス)と反応しアンモニアとなり、カゴには電子が残りエレクトライドとなる。つまり触媒に戻る。
・エレクライドのカゴが水素を可逆的に出し入れすることで、触媒の寿命を縮めるルテニウムの水素被毒を防いでいる。

新触媒による新規アンモニア合成法は、省エネで少量生産に適しているので、必要とする場所で、必要な量だけを生産するオンサイト生産に適している。
今後アンモニアを原料とする各種工場内で、この方法での生産設備が稼働する様になると考えられる。

<ハーバー・ボッシュ法>
 鉄鉱石などを触媒に大気から窒素を取り出 し、水素と反応させてアンモニアを合成する 方法は、発明したフリッツ・ハーバー(1868- 1934)とカール・ボッシュ(1874-1940)の 2人のドイツ人科学者の名をとって「ハー バー・ボッシュ法」と呼ばれる。
20世紀初頭 に生まれたこの合成法は高温・高圧下でメ タンから単離した水素大気中の窒素から、 鉄を主体とした触媒を用いて合成し、液体 のアンモニアを得ることができる。現在でも 工業的なアンモニア合成法の主流である。

上記の参考としたサイトを紹介します。
・細野教授出演NHK「サイエンスZERO」、
動画

<更に詳しく知りたい人への推奨サイト>
・推奨サイト1.(今回の技術を非常に分かり易く説明した動画.)
アンモニア合成 一世紀ぶりの新発明

推奨サイト2
「100年不変のアンモニア合成法を 大きく変えるか? 新触媒の開発」

・尚ウィキペディアはハーバー・ボッシュ法での鉄系触媒の内容が興味深い。

 

 

尚、次のアンモニア関連記事の予定
アンモニア新製法の実用化他

 

 

セルロースナノファイバーCNFの各社開発概況

今年2017年は植物由来の新素材セルロースナノファイバー(CNF)が本格的に実用化に入る年と言われている。
これまでも当ブログでポスト炭素繊維と言われているCNFに関する記事(最後に記載)を書いてきたが、CNFは炭素繊維と違い原料が植物なので環境負荷が低く資源的な問題もない。CNFに取り組んでいる会社は製紙会社以外にもあるが、その状況について概略を紹介する。

<製紙会社>
1.日本製紙
石巻工場で国内最大のプラント(年産500トン)を生産する体制を整えた。
年内には静岡県で樹脂の強化剤、島根県でも食品・化粧品の添加剤として生産を始めた。
2.中越パルプ工業
鹿児島県川内工場で100トンプラントを立ち上げる。
4月に丸紅と用途開発と販売で提携した。
3.王子ホールディングス
透明度の高いシートを作り、立体的に整形する技術を開発。
ガラスや樹脂等の既存の素材の代替需要を狙い、医療用途の開発を進めている。
4.大王製紙
従来設備で製造するCNFは通常水を含んだゲル状のため、石油由来の樹脂とは混ざりにくかったため、今年中に粉末にする設備を愛媛県の三島工場に導入する。
年100トンの生産能力の内数十トンの粉末化に対応可能。
大王製紙は主に産業用途での実用化に主眼を置く。パルプ繊維とCNFと混ぜ合わせたシート素材で自動車部品や建材用を狙う。
20年には三島工場で大規模な量産プラントを新設する計画。

5.北越紀州製紙
特殊な薬品でスポンジ状にしたCNF発泡体を開発。断熱材の開発
6.特殊東海製紙
リチウムイオン電池のセパレーターで実用化を狙う。
7.天間特殊製紙
家具等の表面に使う「化粧板原紙」や金属に傷が付くのを防ぐ保護紙を製造している。 紙力増強剤としてCNFを数%配合することにより紙の表面強度を20%程高く出来るガ同じ強度なら薄くでき製造コストを下げることに繋がる。

<化学メーカー>
1.第一工業製薬
化学処理で作るCNFの実証プラントを新潟県に持つ。
15年CNFをインクの増粘剤に使ったボールペンを三菱鉛筆と実用化した。
2.旭化成
CNFを使った不織布製品の研究を進めている。不織布はそのまま使用したり、樹脂を含浸させて強化樹脂とする。原料はパルプの他同社製品ベンベルグ原料である綿花由来の再生セルロース繊維もある。
3.三菱ケミカル
京都大と不織布製品の共同研究を進めている。この程両者が持つCNF関連の特許を外部へライセンス販売を始めた。
最大の課題はコストだ。現在1kg当たり数千円から1万円する製造コストを下げないとポスト炭素繊維としての普及はおぼつかない。
今後は製造技術開発と用途を増やして量産効果によるコスト低減を測る必要がある。
経産省は30年までに1kg当たり500円程度への削減を目指す。
(上記記事は日経産業新聞他を参照した)

世界の森林国はこぞってCNFを研究しており、国内及び外国の研究の進展、新用途開発、量産、低コスト化等に着目して行きたい。

<これまでのCNF関連ブログ>
植物が原料の新素材セルロースナノファイバー(CNF
竹で新素材

 

 

 

 

 

水銀ランプ代替LEDの開発状況

青色LEDで日本人3名がノーベル賞を受賞したことはまだ記憶に新しい。

この青によるLEDで既に開発されていた赤、緑のLEDと合わせ、完全な色の再現(いわゆる光の3原色)が出来る様になり、ディスプレイ商品の色表現が飛躍的に拡大した。
また白色光も三原色を使わずとも、青色LEDと黄色の蛍光塗料の組み合わせで作れるようになった。

光の波長は長い順に、赤→緑→青となるが、当然其の青より短い波長を発光するLEDも順に開発され、更に現在はもっと波長の短い領域のLEDの開発に移っている。

一般に紫外(線)は人間が直接浴びる影響は悪い場合が多いがが、工業的には重要であり、各社・機関が競ってその開発を行っている。

紫外線は波長 400–200 nm の近紫外線(near UV)、と波長 200–10 nm の遠紫外線と分けられる。
近紫外光は次の様にA、B、Cの3つの領域に区分されている。
UVA(320~400nm)、UVB(280~320nm)、UVC(200~280nm)
半導体発光素子では、200nm~350nmを深紫外といっている。

用途的には
・VAは樹脂硬化・接着や速乾印刷・塗装、コーティング、3Dプリンターなどに、
・UVBは、アトピー治療などの皮膚治療、農作物の病害防止、
・UVCは殺菌・浄水などに用いられる。

特に近年殺菌能力を有するUVC-LEDが注目されている。
というのはこれまで工業用水や民生用機器での殺菌には水銀ランプが使われていたが、
国際条約で毒性のある水銀を使用した機器の製造・輸出・輸入が2020年以製造降禁止となったため水銀ランプに替わる光源としてUVC-LEDが一躍注目されるようになった。

UVC-LEDの波長は265nmや275nmや280nmが多く採用されている。

これまでにUVC-LEDは開発はされていたが、殺菌光源として十分な出力を有するLEDが開発されていなかったが、半導体素子の基板素材や電極等の改良による発光量の増大、内部での吸収の低減、反射の増大等の改良により従来の出力レベルを大きく上回る成果が出て来ている。

理化学研究所:水銀ランプに迫る殺菌用の高効率深紫外LEDを実現
情報通信研究機構:150mW超(発光波長265nm)世界最高出力の深紫外LEDの開発に成功

民間会社も日亜化学工業、パナソニック、旭化成、トクヤマ(最近スタンレー電気に技術譲渡した)なども数多くあるが、特に日機装は深紫外LEDの研究・製品開発に関する情報をが発信されていたと思う。

 

今後も深紫外LEDの性能向上、量産化技術並びに更に遠紫外LED関連の情報に注意して行きたい。