2023.03.13 2024.05.30

《工業触媒の基礎①》触媒の役割、分類、用途、生産規模等をわかりやすく解説

【工業触媒を理解する①】産業の発展と人類の繁栄を支える工業触媒

豊かな生活にとって、化学製品は欠くことができない存在です。
触媒の発見と利用によって、これら製品が安価で豊富に供給されるようになりました。

この連載では、3回に分けて工業触媒の産業上の成果と触媒の基礎技術を解説し、最後に今後の触媒の発展性について考察します。

１．触媒で何ができるのか
２．触媒の役割～触媒は人類を救う
３．触媒の分類
- （1）不均一系触媒の特徴
- （2）均一系触媒の特徴
４．触媒の用途
５．触媒を使用する化学品製造の規模
６．おわりに：最適な触媒を求めて

１．触媒で何ができるのか

触媒について、化学辞典第２版には「熱力学的には進行できるが、現実には反応が極めて遅い系に加えることにより、反応速度を増し、あるいは可能な反応のうち特定の反応のみを促進する作用をもつ物質を触媒といい、その作用を触媒作用という」と記されています。

原料Xを反応させて生成物Yを製造する場合を考えましょう。
ある程度反応が進んでYができると、今度はYがXに変化する逆反応が起き始めます。
このような反応を「可逆反応」といい、正反応と逆反応の速度が等しくなって、見かけ上反応が停止する状態を「平衡状態」と呼びます。

これは熱力学によって支配される化学反応の鉄則です。
平衡は非常に0％に近い場合も、100％に近い場合もあります。
また、温度や圧力という条件によっても変化します。触媒は平衡を変化させることはできません。
化学平衡が0％に近い反応は、いくら触媒を加えても進まないのです。¹⁾

２．触媒の役割～触媒は人類を救う

20世紀初頭、肥料の重要な原料であるアンモニアが、画期的な触媒の発見によって大量に製造できるようになりました。これは世界の人口増加が貧困を招くという、マルサスの人口論を克服する科学技術の成果でした。大量のアンモニアで化学肥料が製造され、食物の収穫量が飛躍的に伸びることによって、人口の増加による貧困は避けられてきました。

現在でもアンモニアは当時の方法を基本として製造されています。
具体的には、大気の窒素を化石燃料から得られる水素で還元する触媒反応です。

ドイツの化学者、ハーバーとボッシュは1906年に酸化鉄を触媒として用いると、1気圧の下、1,020℃で窒素と水素の混合ガスからアンモニアが収率0.01％で得られることを報告しました。²⁾
その後、酸化鉄へのカリウム塩などの複合化による触媒活性の向上が図られ、工業化されました。

現在はさらなる触媒改良が進んだ結果、触媒活性はさらに向上し、250～350気圧、500℃という比較的温和な条件の下で操業されています。
触媒研究はその後も進み、東京工業大学の秋鹿教授らによって、ルテニウム触媒を用いると従来の鉄触媒の10倍以上の反応速度が得られるようになり、現在は世界７カ国で工業化されています。²⁾

また、還元剤として水素ではなく水を用いる式(２)の反応は、モリブデン錯体が触媒となることが東京大学の西林教授らによって見出され、実験室レベルながら常温常圧の下でモリブデン１原子当たり60,000分子のアンモニアが合成できることが分かりました。³⁾

触媒１

このように触媒は化学産業の事業収益改善のみならず、人類の繁栄に直接寄与する科学技術となっています。

３．触媒の分類

形態の違いから、「不均一系触媒」と「均一系触媒」に大別されます。
前者は触媒が不溶性の固体であって、反応原料は気体あるいは液体（原料が溶媒に溶けたものを含む）というように、触媒と原料が異なる相に存在している系です。
後者は触媒も原料も同一の液相に存在する系です。

（1）不均一系触媒の特徴

原料分子と接触できる触媒の表面が反応に与り、内部は使われないことになるので、触媒と原料の接触効率は低くなります。
しかし、多くの固体触媒は熱安定が高いため、高温条件下で反応速度の向上を図ることができます。

また、表面積を向上させる目的で、多孔質担体に吸着させた担持型触媒も開発されています。担体の表面積は非常に広く、例えばアルミナ(酸化アルミニウム)は約300㎡/g、活性炭は1,000～2,000㎡/gにも及びます。原料や生成物が触媒とは別の相に存在するので分離が容易です。

（2）均一系触媒の特徴

反応原料と触媒が溶液中に共存しているので、接触効率は100%です。
一般的には低温でも反応が進行することが多く、熱に不安定な原料でも効率よく反応を進めることができます。後に述べるように、原料分子と触媒分子が正確な化学反応を繰り返すことができるので、1分子の触媒によって数百万分子の生成物が得られる可能性があります。

一方、原料、生成物、触媒が同一相に共存することが多く、生成物の分離に工夫が必要という欠点があります。ただし、生成物が不溶性の場合は、原料・触媒溶液から、ろ過などの簡便な操作で分離できます。