中日合力推翻定論！新FT合成催化劑可大幅削減鈷用量

日本

富山大學研究生院理工學研究部的椿范立教授

天津大學的李新剛教授

由於現有FT催化劑是利用「直徑達20～30nm左右的」鈷（Co）納米顆粒合成輕油等物質的，鈷的消耗量大，FT合成催化劑及FT合成設備的成本暴漲。此次，中日聯合研發小組推翻了傳統的FT合成催化劑的基本定論，發現包覆二氧化硅層的鈷基膠囊催化劑可利用 「尺寸為大顆粒鈷1/10左右的小型鈷納米顆粒」 來合成輕油等物質。以往工業用途的吸附型FT催化劑，鈷的含量重量比為30～40％，而此次的發現可將其降至5～10％以下。

傳統的商業催化劑中如果在二氧化硅（SiO2）上吸附的鈷（Co）顆粒尺寸較小，合成出來的是液化石油氣（LPG）等輕烴物質（圖1）。如果吸附的鈷顆粒尺寸較大，金屬表面的碳鏈延伸，才能合成出輕油等液體燃料（圖2）。在包覆在二氧化硅多孔膜上面的小型鈷顆粒表面，即使生成輕烴，也會被再次吸附在催化劑金屬表面，碳鏈延伸，生成輕油等（圖3）。或者被再次吸附至旁邊的小型鈷顆粒表面，形成液體燃料（圖4）。

FT合成是利用合成氣(一氧化碳和氫的混合氣體)合成輕油等石油替代燃料及化學品的催化反應。合成氣可利用天然氣（包括頁岩氣和甲烷水合物）、生物質、煤炭及可燃性垃圾輕鬆製造，因此FT合成反應是對工業影響很大的催化反應之一。不過，一座每天製造3萬桶合成燃料的反應塔，鈷催化劑的用量高達500噸，而且催化劑每1～2年就需要更換一次，隨著純電動汽車的亮相，鈷的價格正在暴漲，因此生產輕油等的大型FT合成設備需要大幅削減鈷用量。

此次開發的膠囊型催化劑將作為新的FT合成催化劑投入工業設備，此外還計劃用於與FT合成類似、利用二氧化碳（CO2）和氫生成液體燃料的合成。

相關研究成果已於2018年8月14日（英國時間）發布在英國科學雜誌《自然通訊》（Nature Communications）的在線速報版上。

文 JST

客觀日本編輯部

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