J. Plasma Fusion Res. Vol.99, No.4 (2023) 113-119

講座 プラズマと触媒の物理化学的相互作用と表面反応の深化

3 ．触媒基礎
3. Basics of Catalytic Reaction
福原長寿

FUKUHARA Choji
静岡大学 学術院 工学領域
（原稿受付：2022年11月19日）

本章では，触媒反応機構や触媒活性サイトと担体の役割などの触媒化学に関した情報をもとに，どのように触媒反応システムを構築するかに焦点をあてて説明する．特に，プラズマと触媒との融合システムにおいてポイントになると考えられる，反応場の熱エネルギーの効率的な制御と利用について紹介する．取り上げる反応は，著者が発見した酸素共存下のオートメタネーションであり，物質移動と熱移動にすぐれた構造体触媒システムを用いて大きな発熱エネルギー場を制御する事例を解説する．また，その構造体触媒システムをラボレベルにス
ケールアップする際のポイント事項や実際に構築したシステムの例についても紹介する．
Keywords:
catalysis, reaction mechanism, support, active site, heat energy, decarbonization, CCU, auto-methanation

3．1

はじめに

CO2のメタネーション（Sabatier反応，大きな発熱）

目的の化学反応に対してすぐれた性能を発揮する触媒
計する場合，触媒化学と触媒反応工学の両知識が必要とCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
∆H0 = - 165 kJ・mol-1なる．触媒化学は，ミクロな視点から触媒活性サイトの＜特長＞

設計や触媒担体の役割の解明，触媒反応機構の推定を取

1) メタン資源の製造→ 都市ガスとして利用→ 余剰電力の貯蔵＝Power to Gas
2) 温室効果CO2ガスの削減反応材料を開発し，それを用いて工業的な触媒反応装置を設り扱う．一方，触媒反応工学はマクロな視点からシステ
ム設計のための反応速度の定量的な評価，物質移動や熱移動を考慮した反応装置の設計，そして反応条件の最適

3) 宇宙ステーションや惑星探査活動における根幹的反応（NASA, JAXA）

化と装置評価を取り扱う．
本講座では，プラズマと触媒との融合型反応システム

図1

が話題の一つになるが，触媒化学の基本事項はもちろん

CO2 2O

C

O

O

C

CH4

表面触媒反応脱炭素化やCNなどの未来技術に貢献

メタネーション：CO2から CH4資源へ．

のこと，対象システムを具体的に構築するための触媒反星探査活動における根幹的な化学反応として取り上げて応工学に関した諸事項を把握しておくことは，プラズマいる．他方，近年ではこの反応は温室効果ガスである CO2と触媒のシナジー効果を狙った触媒反応場設計で大切でを削減し，エネルギー資源となる CH4 を獲得する反応とある．

して着目されている．欧州での大型プロジェクトをはじ

本章では，触媒化学に簡単に触れつつ，主として触媒

め，我国でも 2030 年 CO2 の 46% 削減や 2050 年 CO2 排出ゼシステムを構築するための触媒反応工学について，昨今

ロ宣言に向けた商業レベルを意図した社会実装反応器のの脱炭素化とカーボンニュートラル（CN）に貢献する反開発が活発化してきた．

応として注目される，CO2 のメタネーションを例にして

3．
2．
1

反応機構

CO2 の メ タ ネ ー シ ョ ン に 対 し て は，Ni や Ru 成 分 を概説する．

酸化物担体に担持した固体触媒が高い活性を示すこと

3．2

触媒化学

が報告されている［1］．一般に固体触媒上の反応機構は

CO2 の メ タ ネ ー シ ョ ン（CO2 ＋ 4H2 → CH4 ＋ 2H2O，

Langmuir-Hinshelwood（L-H）機構や Eley-Rideal（E-R）

ΔH 0 ＝－165 kJ / mol，大きな発熱反応）は（図 1 ），20 世

機構が知られているが，CO2 のメタネーションにおける紀初頭に Paul Sabatier が取り組んだ反応である．その後，

Ni や Ru の担持金属触媒上では L-H 機構で反応が進行す

アメリカ航空宇宙局（NASA）や日本の宇宙航空研究開発

る．その場合，以下の二つの反応ルートが提唱されている．

機構（JAXA）が国際宇宙ステーション（ISS）活動や惑
Shizuoka University, Hamamatsu, Shizuoka, 432-8561, Japanauthor’s e-mail: fukuhara.choji@shizuoka.ac.jp

113Ⓒ2023 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

H2 ＋ 2s → 2H（s）

応システムを小型からラボレベル以上にスケールアップ

HCOO（s）＋ H（s）→ CH4

するならば，その影響はより大きくなる．小型リアクター
による触媒評価では，この点を意識した実験実施が求め

H2 ＋ 2s → 2H（s）

〈ルート 2 ：逆シフト反応を経由〉
CO2 ＋ s → CO（s）
2

April 2023

による熱エネルギーの影響は無視できない．加えて，反〈ルート 1 ：ギ酸塩の生成を経由〉 （s：吸着サイト）
CO2 ＋ s → CO（s）
2

Vol.99, No.4

られる．これは，原料や生成物の物質移動についても同CO（s）＋ H2O（s）→ CH4様である．
小型リアクターでの試験結果を大型リアクターで反映

CO2 から CH4 への変換がどちらのルートを経て進行すさせるためには，熱エネルギーの変化や物質移動の変化

るかは，使用する固体触媒材料の物性（表面積，活性サを正しく考慮した触媒反応場の設計が求められる．次節

イトの特性，表面構造，酸塩基性など）が影響する．各でそのことについて説明する．

種測定機器による物性測定や，着目分子の表面上での挙3．3

動観察（赤外分光光度計による in-situ 測定や同位体測定

触媒反応工学など）が反応ルート推定の手段となるが，いずれにして触媒化学における固体触媒の性能評価では，円管形のも求められるのは，少ない熱エネルギーでも CO2 の物質

触媒充填型反応器が小型リアクターとして汎用される．

変換速度が速く，かつ CO などを副生しない触媒である．

反応器の容積は 100 ml 以下，触媒量は g レベル以下である．

3．2．2

活性サイト・担体の役割

今，この小型リアクターをラボリアクターにスケール

L-H 機構でメタネーションが進行するとき，最初の過程

アップすることを想定し，反応器体積を 1 ml から 1 L に増は CO2 と H2 の活性サイトへの吸着である．H2 は金属成分加させるとする．例えば，半径を 10 倍に，反応器長さを上に，CO2 は担体上に吸着するのが一般的であり，その10倍にする場合である．小型リアクターとラボリアクター

ため金属表面積や担体表面積が大きい固体触媒ほど多くの反応ガスの滞在時間を同じにするためには，基本的にの反応分子を吸着して高い触媒機能を発揮することにな

1000 倍のガス体積で原料を供給することになるが，ここる．著者は，金属種として Ni と Ru が，担体として CeO2

で注意が必要である．すなわち，100 倍の断面積の増加

や ZrO2，Al2O3 がすぐれたメタネーション特性を示すことと 1000 倍のガス体積の増加からガスの線速度は 10 倍に増を報告している［1］．特に，Ru の場合はその表面上に CO2える．そのため，供給ガスの Re 数（定義式は表1 を参照）

も吸着するので，メタネーション活性は Ni よりも高い．

は 100 倍（管直径が代表径のとき）になるので，例えば小Ru と同じ貴金属種である Pd や Rh，Pt も CO2 の変換機能

型リアクターにおいて Re ＝ 100 の層流状態で評価した触を発揮するが，これらの貴金属では CO の副生が多い．先媒性能が，ラボリアクターでは Re ＝ 10,000 の乱流状態との反応ルート 2 における中間体 CO 種の生成が優先的であなる．層流状態と乱流状態では物質拡散と伝熱状態が違り，金属の電子的因子の違いなどが影響している．

うため，性能評価が異なってくる．

担持金属触媒における担体の役割は，①金属の分散性

また，円管形の触媒充填型反応器では，外部との熱エ制御，②触媒機能のアシスト，③耐熱性の付与，④機械

ネルギーの交換を反応器の側壁面を介して行うため，大的強度の付与，などである．微粒子の金属を担体上に高きな熱エネルギーの移動が伴う場合，スケールアップ時

分散状態で保持し，高い金属表面積を確保することは担は熱の制御に注意が必要である．すなわち，触媒層体積体の役割①である．CeO2 や ZrO2 がメタネーションに対を 1 ml から 1 L にスケールアップするとき，10 倍の半径

して高い活性を示した一因は，CeO2 は酸素空孔子点を多と 10 倍の反応器長さにすることで反応器の側壁面の面積く保有し，このサイトで CO2 吸着が促進してギ酸塩種がは 100 倍に増える．しかし，触媒反応場の体積が 1000 倍

生成しやすいことが関係している［1］．一方，ZrO2 の場合に増加するので，反応の進行に係わる熱エネルギーの移は表面上に表面水酸基を生成しやすいことが考えられる

動は 1000 倍となる．結局のところ熱伝達速度は 1 / 10 倍と［2］．これらは担体の役割②である．また，金属単独で高なり，メタネーションのような大きな発熱を伴う場合は温に長時間さらされた場合，金属の表面拡散や体拡散に熱除去の速度が追いつかず，スケールアップしたリアクよる凝集や焼結が起こるので，耐熱性の高い酸化物上に

ター内にホットスポットが発生する．単純な幾何学的相

金属を微粒子状で担持することで防止する．担体の役割

似のスケールアップでは対応できないことがわかる．

③である．そして，工業レベルの反応装置では固体触媒

3．3．1

反応器のスケールアップの法則と方法

を数 kg ～数トンのレベルで装置内に充填するが，加重に先の二つの例は，触媒反応器内の物質移動や熱移動による触媒の圧壊や変形を防ぐことは酸化物担体の役割④関した変化（以下，モード・パターンの変化と称す）でである．

引き起こされる問題である．反応器のスケールアップで3．2．3

反応熱エネルギー

は，このモード・パターンの変化に留意した設計が大切である．

化学反応に伴う反応熱（ΔH ）の影響は，反応場の温度0が一定となるように触媒層の状態や反応条件を調整する

工業装置のスケールアップについては，山口の成書［3］ならば考慮しなくてもよい．しかし，メタネーションのが詳しく解説している．その中で，一般的に広く受け入ような大きな発熱エネルギーを伴う反応の場合，あるい

れられているスケールアップ則［4］として，以下が挙げらはプラズマと触媒を組み合わせたシステムの場合，反応

れる．
114

Lecture Note

3. Basics of Catalytic Reaction	表１1）せん断速度が一定
u / L ＝ constant

物質移動と熱移動の把握に係わる無次元．

（層流の場合）表現する
モード・パターン

無次元数2）単位体積あたりの所要動力が一定

レイノルズ数ρu2 / L3 ＝ constant （乱流の場合）

duρμ… 慣性力／粘性力

Pe ＝

μL
D

拡散流速／
…
濃度パターン   物質移動流速

Pe ＝

μL
α

拡散流速／
…
   熱移動流速

Th ＝ R

k
D

反応速度／
…
濃度パターン   物質移動流速

Re ＝3）滞留時間が一定
L / u ＝ constant

流動パターン

ペクレ数

ここで，u は速度，L は代表長さ，ρ は流体密度である．
工業装置の形状や操作条件に応じて，1）～3）の項目に留意しながらスケールアップすることになる．

伝熱パターン

チーレ数

そして，触媒反応器のスケールアップにおいては，器内の物質移動と熱移動のモード・パターンを無次元数などから把握することが大切である．表 1 に触媒反応器に

ダンケラー数

係わる無次元数を，表 2 には反応器内における物質移動

反応速度／
Da ＝ kτ …
   滞在時間と熱移動に係わる無次元数を示した．
また，粒子状の固体触媒を充填した反応器の場合，粒濃度パターンd：代表径，u：速度，ρ：密度，D：拡散係数，α：熱拡散係数，
μ：粘度，L：触媒層長，k：速度定数，R：触媒径，τ：滞在時間

子表面上の境膜内の移動特性も重要であり，それに係わる無次元数を表 3 に示した．

表２

触媒反応器における反応物の濃度や器内温度の挙動は，無次元数反応に係わる物質収支式と熱収支式，運動量収支式を連移動に係わる無次元数．
表現する移動特性

シュミット数立させ，その解によって表現することになる．このとき，
表 1 ～ 3 にあげた無次元数（対象系によってはその他の無Sc ＝次元数も必要）を使ってそれぞれの収支式を整理するこv
D

運動量拡散／物質拡散

プラントル数とで，実験室レベルからのスケールアップ時においても，そのモード・パターンが整合するように設計することが

Pr ＝

できる．

v
α

運動量拡散／熱拡散αD

熱拡散／物質拡散

ルイス数

なお，各収支式に係わる化学反応項はその精度が重要

Le ＝であり，高精度な反応速度式の採用はスケールアップ時の適切な予測につながる．
3．3．2

C. Fukuhara

v：運動量拡散係数，D：拡散係数，α：熱拡散係数

物質と熱の収支式による特性予測

表３

大きな熱エネルギーの移動を伴う反応を触媒反応器で無次元数行なう場合，その特性をシミュレーションによって予測
し，課題点を反応システムのスケールアップに反映する．

シャーウッド数

シミュレーションの例を次に示す．図 2 は，円管形のSh＝触媒充填反応器（8 mmϕ × 100 mm 長）でメチルシクロ

Lδm

境膜内移動に係わる無次元数．
表現する境膜内の移動特性

代表長さ／物質移動の境膜厚み

ヌッセルト数

ヘキサン（MCH）の脱水素反応（C7H14 → C7H8 ＋ 3H2，
ΔH 0 ＝ 205 kJ / mol）を実施したときの反応率と器内温

Nu＝度分布のシミュレーション結果である［5］．反応に係わLδh

代表長さ／熱移動の境膜厚み

L：代表長さ，δm：物質移動厚み，δh：熱移動厚み

る物質収支式と熱収支式を連立させた数値解で表現している．入口温度と壁面温度は 300 ℃で一定，ガス流速はる工夫が必要となることがわかる．

100～400 ml / min（Re 数：30～120） で あ る． ガ ス 流 速

また，図 3 は円管形の触媒充填反応器（8 mmϕ × 100 mm

100 ml / min（Re ＝ 30） で は 出 口 転 化 率 が ほ ぼ 100 ％ と長）による CO2 のメタネーションのシミュレーションでなっているにもかかわらず，入口付近にコールドスポッ

ある［5］．入口と壁面温度は 300 ℃で一定とし，ガス流速トが発生していることが器内温度の等高線図からわかは 100～400 ml / min（Re 数：40～160）とした．大きな発る．これは，MCH の脱水素反応が大きな吸熱を伴う反応

熱を伴うメタネーションでは，ガス流速で多少の違いがであることに起因する．そして，このコールドスポット

あるものの，入口付近における反応の立ち上がりがとてはガス流速の増加に伴って出口方向に発達していき，流も速く，出口ではいずれの条件も約 90 ％の転化率である．

速 400 ml / min（Re ＝ 120）で器内温度は設定温度 300 ℃

入口付近での速い反応の立ち上がりに対応して，この領から大きく低下した熱供給不足の状態となっている．ガ

域ではホットスポットが形成されていることが等高線図

ス処理量の増加に対して熱供給が追いつかず，出口転化からわかる．そして，ガス流速の増加によってこのホッ率は低下している．反応器のスケールアップにおいては，

トスポットは後方に成長していく様子も伺える．メタネー

触媒反応場の伝熱性を高めて，反応条件の変化に対応すションでは，設定温度を数℃上げただけでホットスポッ
115

Journal of Plasma and Fusion Research

MCHの転化率 (-)

1.0

ミュレーションから予測されている［6］．大きな発熱エネ
ルギーを伴う反応の制御を適切に実施するためには，反応場の熱エネルギー除去の工夫は重要である．

0.6

このように，小型リアクター内の物質と熱移動に関し

0.4

()

半径方向の中心軸からの無次元距離(-)()

ケールアップ時にその解決を図る工夫を施すことになる．

Re=

0.0
0.0

0.5

た課題点を予測し，設計しようとする反応システムのス

ガス流速(ml/min)Totalflow rate;(Re=30): 100
100 mlmin-1: 200
200 mlmin-1(Re=60): 400
400 mlmin-1(Re=120)(WHSV=1.2-4.8 h-1)

0.2

1.0

April 2023

トの温度が入口付近で 700 ℃近くまで上昇することもシ

0React. temp. : 300 ℃℃
Total pressure: 1.0 atm
MCH/N2=30/70

0.8Vol.99, No.4

( )

0.2

0.4

0.6

0.8

3．
3．3

1.0

る機能性触媒として，著者は図 4 に示すハニカム形の構造

入口からの無次元距離 (-)

体触媒を開発している．触媒は，アルミニウム製フィン（径300

18ϕ×45～50 mm 長，セル密度 100 cpsi）であり，ストレー

290

0.0
0.0( )
1.0

トな流路をもつ Plain 形，流路を短く切断して積層した

280
270

100 ml/min
0.2

0.4

0.6

0.8

Stacked 形，そしてその積層間に空間を設けた Segment

260

1.0

形の構造様式をもつ．図 5 には，その構造体触媒による(℃)

メタネーション特性を示した．フィン上に Wash coat 法
で創製した触媒成分は Ni / CeO2（Ni 量 10 wt%）であり，0.5
0.0
0.0( )
1.0

構造体触媒によるプロセス強化（PI）

反応場の効率的な熱移動の実現と物質移動の促進を図通 常 の 含 浸 操 作 で 調 製 し た．図 5（a）で は，Stacked 形

200 ml/min
0.2

0.4

0.6

0.8

0.2

0.4

0.6

構造体触媒のガス供給速度の変化によるメタネーション

1.0

特性を，触媒充填システム（粒状の Ni / CeO2 触媒と工業

0.5
0.0
0.0

400 ml/min
0.8

1.0

入口からの無次元距離 (-)

図2

円管形反応器による MCH 脱水素のシミュレーション．

図4

0.8
0.6
0.4

ガス流速(ml/min)Totalflow rate(Re=40): 100 ml
min-1
: 200 ml
min-1
(Re=80): 400 ml
min-1
(Re=160)

0.2
0.0
0.0

100

0

React. temp. : 300 ℃℃
Total pressure: 1.0 atm
CO2/H2/N2=10/40/50(WHSV=0.2-0.5 h-1)

CO2 conversion (%)

CO2の転化率 (-)

1.0

Re=

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Setting temperature : 350 ℃

Equilibrium

80
70: Stacked type Ni/CeO2: Granular-type Ni/CeO2: Commercial (METH134)

60

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

200 ml/min

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

400 ml/min

0.4

0.6

0.8

1.0

入口からの無次元距離 (-)

図3

200

250

300

Equilibrium

(b)

60
40

Catalyst type
: Plain: Segment (5 mm): Segment (15 mm)

20
0

0.2

150

80

0.5
0.0
0.0

100

Feeding flow rate (ml·min-1)

Setting temperature : 300 ℃

100

0.5
0.0
0.0( )
1.0

50

CH4 selectivity: almost 100 %(℃)

CO2 conversion (%)()

半径方向の中心軸からの無次元距離 (-)

0.5
0.0
0.0( )
1.0

50

370
350
330
310
290
270

100 ml/min

(a)

90

入口からの無次元距離 (-)
1.0

開発した異なる構造様式のハニカム形触媒．

図5

円管形反応器によるメタン化反応のシミュレーション．

116

0

50

100

150

: Stack: Segment (10 mm)
200

250

300

Feeding flow rate (ml·min-1)350

構造体触媒によるメタネーション特性：（a）粒状触媒と工業触媒との比較，（b）構造様式の違いによる比較．

Lecture Note

3. Basics of Catalytic Reaction	

C. Fukuhara

用メタン化触媒，触媒 300 mg を径 8 mmϕ の円筒管に充填）と同じ反応条件で比較しており，図 5（b）では構造体
触媒の構造様式の違いで比較している．なお，図 5（b）のSegment 形触媒では積層部の空間を 5～15 mm で変化した．図 5（a）から，粒状の工業用触媒と粒状 Ni / CeO2 触媒は原料ガスの供給速度の増加によって反応率は低下しており，一般的に予測される挙動を示した．一方，構造体触媒では，ガス供給速度が増加しても反応率の低下は小さく，実験範囲ではほぼ一定の値であった．供給速度
300 ml / min（ガス線速度：40.8 mm / s，ガス接触時間：
約 1 sec）でもメタネーション活性は高い．この活性維持の要因は，構造体触媒による物質移動と熱移動の促進が影響している．
また図 5（b）から，触媒の構造様式の違いはメタン化活性に大きく影響し，Segment 形＞ Stacked 形＞ Plain 形の

図8

発電機排気ガスのメタン化処理装置（ラボスケール）．

図9

メタン化装置内に設置したスパイラル形構造体触媒．

序列，及び Segment 形触媒では積層部の空間距離が長い
方が高い性能を与えることがわかる．このときの構造体
触媒内における物質移動と熱移動に関したパラメータを評価した．すなわち，図 6 に示す熱収支式から導出した
総括伝熱係数（U）と，構造体触媒内の物質収支式（Filmmodel を仮定）と境界条件から導出した総括物質移動係数

図10

図6

図7

発電機排ガスのメタネーション処理特性．

総括伝熱係数と総括物質移動係数の推算．

図11 室温作動のメタネーション反応場の温度状態（赤外線カメラ）．

各構造体触媒の（a）伝熱係数と（b）物質移動の比較．

117

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.99, No.4

April 2023ていることがわかる．加えて，いずれの温度でも CO の削（K）で評価した．図 7 は，図 5（b）のデータと反応器内温度分布の実測値をもとに推算した U と K について，Plain

減率が大きく，CO 酸化が優先的に進行している．O2 を共形触媒を基準値として示したものである．図から，U と K供給するメタネーションの特長である．また，CH4 収量のいずれのパラメータも構造様式で異なることや，メタは各設定温度とも高く，室温域でも約 17 L-CH4 / h であっネーション活性の序列と対応するように，Segment 形＞

た．生成 CH4 の燃焼もない．いずれの条件でも反応は暴Stacked 形＞ Plain 形，そして Segment 形でも積層部の空走することなく，高い性能で機能した．

間距離が長い方が高い U と K の値を与えることがわかる．

また図11 は，室温域で作動するオートメタネーション

構造体触媒の構造様式の違いは，メタネーション活性をに お い て， ガ ス 量 5 L / min（CO2：H2：O2：N2 ＝ 8.6：

左右する重要なパラメータである．これまでの触媒反応

33.5-41.5：1-5：44.9 vol%）中の O2 量を変えたときのスを主とした変換場に，物質・熱移動促進の機能を加える

パイラル形 Ru / CeO2 触媒（第二段反応器内）の温度状態ことで，変換プロセスの強化となることが理解できる．

を赤外線カメラで観察した結果である．O2 供給により反3．3．4

応場の温度が上昇し，高い O2 濃度ほど入口付近でメタネー

ラボスケールのメタネーション装置

ラボスケール装置の例を次に示す．昨今の脱炭素と CNションが進行している．しかし，5 vol%-O2 でも最大の温により，産業プロセス排出 CO2 ガスをメタネーションに度上昇は約 400 ℃であり，大きな発熱を伴う反応系が制御

よって資源化することが注目されている．一般的には排されている．高い伝熱性と低い圧力損失をもつ構造体触

出ガス中の CO2 をアミン系溶液で分離・濃縮するプロセ媒を装備した本装置は，大きな熱移動と原料の大量処理

スが提案されるが，排ガスを脱硫・脱硝後にもし O2 やを伴う反応のスケールアップにおいて，その物質変換機

N2，CO が混在したままメタン変換できれば，CO2 の分離・能性が充分に発揮されている．

濃縮装置は不要となり処理設備のプロセス強化になる．

なお，O2 共存下で生成 CH4 が燃焼しない要因の一つ

しかし，原料の H2 や生成する CH4 は O2 の存在で燃焼するとして，可燃性ガスの最小着火エネルギー（Minimumので，O2 共存のメタネーションは意味のないものとこれ

Ignition Energy，MIE）の序列［8］が考えられた．すなわ
ち，H2 － O2 混合ガスの最小着火エネルギーは，CH4 － O2までは考えられてきた．触媒の酸化による失活もある．
ところが著者は，O2 共存下のメタネーションでは共存

混合ガスのそれよりも約一桁小さく，排ガス中の酸素濃O2 がむしろ触媒活性を促進し（H2 － O2 の燃焼エネルギー度が今回のような場合では，反応器入口で H2 － O2 燃焼がによる反応の加速），生成する CH4 も燃焼せず，加えて迅速に起動・完了して熱エネルギーが発生する．そして，外部加熱のない室温域でも反応が効率的に進行すること

CH4 が生成する時点では O2 は消費されているので，CH4（オートメタネーション現象）を発見した．そしてこの場

燃焼や触媒の酸化は回避されるのである．このような逐合，すぐれた伝熱性と低い圧力損失をもつ構造体触媒の次的な反応進行は，反応場の流れの整流性と低圧損性の特長が生きてくることを報告している［7］．

確保が重要であり，この点でも構造体触媒システムはそ

図 8 は構築したラボスケールの排ガス処理用メタネーの特長を発揮している．

ション装置である．装置は，二連式リアクター内に構造3．4体触媒（スパイラル形，11 mm 幅× 450 mm 長，Ni / CeO2と Ru / CeO2 成分を Al 基材上に付着，図 9 ）が設置してあおわりに

本章では気固系触媒反応器の設計を題材として，基本る．この装置で，市販の小型発電機（0.9 kW，空冷 4 サイとなる触媒化学の概念を簡単に述べ，次に触媒反応工学

クル 50 c.c.，ガソリン燃料）からの排ガス 2.5 L / min（CO2：に基づく反応システムのスケールアップに関したポイン

CO：N2 ＝ 11：5：84 vol%，未燃の炭化水素 300 ppm）とトを概説した．また，反応場の効率的な熱制御技術の一H2：2.4 L / min，O2：240 ml / min（4.7 vol%）を供給してつとして構造体触媒システムを取り上げ，そのラボレベ

メタネーションを実施した．

ル装置の実例を示した．プラズマと触媒とのシナジー効

図10 はその結果である．図では，エンジン排ガス中の果を取り入れた反応場の設計などにおいて，本触媒シス

CO と CO2 の物質流量（initial carbon）を基準とし，処理テム例をご参考いただければたいへんに幸いである．

後における残存 CO と CO2 の割合を各設定温度で示した．

昨今の環境保全・環境負荷軽減の問題に鑑み，化学的生成 CH4 の収率も示した．この実験におけるガス供給のな触媒作用と物理的な機能を融合させた物質変換システ

空間速度（Space velocity: S.V.）は 5,600 h－1 であり，触ムの開拓は，資源・エネルギー創製の展開に貢献するこ媒と供給ガスの接触時間は 0.6 秒以下の高速状態である．

とが期待できる．その場合，これまでとは異なる観点で通常の触媒充填型反応器では，圧力損失の増大と除熱のの設計が必要となろうが，触媒化学と反応工学的対処法

点から反応場の制御が難しい条件である．しかし，スパイをベースとすることは基本である．今後もこの分野の学

ラル形構造体触媒を装備した本装置は，設定温度 150 ℃と術的知見を集積し，新たな魅力が展開することを期待し200℃で排ガス中の CO と CO2 が85～95％の高い効率（トーたい．

タル分）で削減され，CH4 に変換している．100 ℃でも約70％の削減率である．そして，外部加熱のない室温域（RT）でもこの削減率はほぼ変わっていない．オートメタネー
ション状態において，排出ガス成分を高い割合で削減し118

Lecture Note

3. Basics of Catalytic Reaction	［ 4 ］定方正毅：燃料協会誌 64, 312 (1985).
［ 5 ］福原長寿：化学工学会第84年会，PE337 (2019).
［ 6 ］D. Schlereth and O. Hinrichsen, Chem. Eng. Res.
Des. 92, 702 (2014).
［ 7 ］C. Fukuhara et al., Chem. Lett. 48, 441 (2019).
［ 8 ］B. Lewis and G.V. Elbe, Flames and Explosions ofGases (Academic Press, New York, 1961).

参考文献［ 1 ］C. Fukuhara et al., Chem. Eng. Sci. 219, 115589(2020).; Fuel 282, 118619 (2020).
［ 2 ］A. Igarashi et al., J. Jpn. Petrol. Inst. 35, 490-493(1992).
［ 3 ］山口由紀夫：スケールアップの化学工学（丸善出版，
2019）．

ふくはら ちょうC. Fukuharaじ

福 原 長 寿静岡大学 学術院 工学領域 教授，学位：博士（工学，東北大学），専門：触媒化学，
反 応 工 学．SDGs の 目 標 達 成，COP26 約
束草案の実現，2050 年までの CO2 排出ゼロ宣言など，物質変換プロセスが果たすべき役割の重要性が増してきました．触媒とプラズマを組み合わせた特殊反応場
は，この目標達成に向けた大きな技術を提供すると考えており，皆様方からの忌憚ないご意見を頂戴できますと幸いです．

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