早稲田大学がバイオガスを低温で化学原料化する技術を開発

画像：早稲田大学ニュースより

早稲田大学とクラサスケミカルの研究グループが、従来の1/4となる200℃以下の画期的な低温で、バイオガスから化学品の基礎原料となる合成ガス（COとH₂）を製造する新技術を開発しました。

早稲田大学ニュース 研究活動：発酵ガスから化学原料へ

この研究は、従来の高圧ドライリフォーミング（DRM）技術が抱えていた根本的な課題を克服し、バイオガスの主成分であるメタンとCO₂から効率よく化学原料を生産できる画期的な成果です。

高圧ドライリフォーミング（DRM）の課題

高温・高圧でメタンとCO₂（バイオガス）を反応させて、化学品の原料となる合成ガス（一酸化炭素：COと水素：H2）を製造する技術は「高圧ドライリフォーミング（DRM）」と呼ばれています。

この技術は、温室効果ガスであるメタンとCO₂を化学原料などの資源に転換できるため、カーボンニュートラルへの貢献が期待されていますが、高いエネルギーコストや触媒劣化という問題がありました。

ドライリフォーミングの原理と高温・触媒劣化

ドライリフォーミングの化学反応式は、CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ と表されます。この反応は熱力学的な制約から、通常800℃以上の極めて高い温度が必要になります。

高圧ドライリフォーミングのデメリット

• 莫大なエネルギー消費：800℃以上の高温を維持するためには大量のエネルギーが必要となり、製造コストを押し上げるだけでなく、プロセス全体でのCO2排出量を増加させる要因にもなります。
• 設備コストの増大：高温に耐えうる高価な反応器や配管材料が必要となり、プラントの建設コストが増大します。
• 触媒の急速な劣化：高温下では、反応中に炭素（スス）が生成し、触媒の活性点に付着する「コーキング」と呼ばれる現象が起こりやすくなります。これにより触媒の寿命が著しく短くなり、安定的な長期運転を困難にしていました。

これらの課題が、バイオガスを化学原料として活用する際の大きな壁となっていました。

画期的な低温型触媒

今回、早稲田大学の関根泰教授と、クラサスケミカル株式会社の研究グループが開発した新技術は、800℃という高温の反応温度を200℃以下まで低減できる画期的なものです。

その核心は、ロジウム（Rh）と酸化タングステン（WOx）を巧みに組み合わせた、全く新しい概念の触媒（1wt%Ru/La₂Ce₂O₇担持触媒）にあります。

ロジウム・酸化タングステン触媒の仕組み

研究グループは、貴金属であるロジウムのナノ粒子を、酸化タングステン（WOx）で部分的に被覆した特殊な構造の触媒を設計しました。この触媒が低温で高い活性を示すメカニズムは、2つの物質の相乗効果によるものと考えられています。

まず、酸化タングステンがCO₂分子を効率的に吸着・活性化する役割を担います。一方で、ロジウムナノ粒子がメタン分子を活性化します。

これら2つの活性化された分子が触媒表面の界面で効率的に反応することで、800℃以上必要だった反応がわずか200℃以下、実験では150℃でも進行することが確認されました。

また、電位印加で触媒表面のイオン移動（表面イオニクス）を活性化し、プロトンホッピングが進むことで、低温でも高いCH₄/CO₂転化率と、適正なH₂/CO比を両立しています。

• 表面イオニクス：触媒の表面でイオンが動くこと
• プロトンホッピング：水素イオン（プロトン）が触媒表面で動くこと
• CH₄/CO₂転化率：メタンと二酸化炭素の反応を示す割合
• H2/CO比：合成ガス中の水素と一酸化炭素の比率

これは、従来技術では考えられなかった驚異的な低温化です。この成果は、化学分野で世界的に権威のある学術誌「ACS Catalysis」に掲載され、その独創性が国際的に認められています。

ACS Catalysis：Electrically Assisted Low-Temperature Dry Reforming of Methane Suppressing Carbon Deposition under High-Pressure Conditions

ドライリフォーミング低温化のメリット

ドライリフォーミング低温化のメリットは大きく、反応温度を大幅に下げることでエネルギーコストを低減し、炭素析出による触媒劣化の問題もほとんど発生しません。

特筆すべきは、反応プロセス簡略化の可能性です。バイオガスは元々メタンとCO₂の混合ガスであるため、両者を分離せずに直接反応器に導入できる可能性があります。

従来法では困難だったこのプロセスが実現すれば、分離・精製工程が不要となり、設備投資と運転コストを劇的に削減できます。

バイオマスの高付加価値化と国内資源循環

この低温触媒技術は、日本国内に豊富に存在する未利用のバイオマス資源を高付加価値な化学品へと転換する「Biogas-to-Chemicals（BGC）」という新たな産業の創出を可能にします。

環境省の推計によると、日本国内の廃棄物系バイオマスの賦存量は年間約2,611万トン（乾燥重量）にのぼり、そのエネルギー量は原油換算で約1,181万キロリットルに相当します。

しかし、バイオマス資源の現状は焼却や発電、熱供給といった比較的付加価値の低い用途に留まっています。

この技術は、メタン発酵によって生成したバイオガスをメタノールや酢酸、さらには液体燃料（FT合成経由）やプラスチック原料といった、より付加価値の高い合成ガスに転換する道を拓きます。

また、バイオマスの有効活用は国内の資源循環にもつながり、小規模なバイオガスプラントに併設できる分散型の化学品生産プラントといった、新たなビジネスモデルの創出も期待されます。

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