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Fundamental study on electrochemical hydrogenation in a PEM reactor

深澤 篤 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00013929

2021.06.17

概要

温室効果ガスの継続的な排出により地球温暖化が進行している。これを抑制するために、2015年に開催されたCOP21において気候変動問題に関する国際的枠組みであるパリ協定が採択された。パリ協定は脱炭素化社会の実現を目指し、先進国、途上国の区別なく温室効果ガスの削減努力を義務づけた歴史上初めての枠組みであることからも、世界全体の地球温暖化に対する関心が高まっていることを示している。この中には2050年までには80%の二酸化炭素を削減することが言及されているが、これまでの技術の延長では到底達成し得ない目標値である。したがって、温室効果ガス排出量の削減を実現するためには様々な産業において抜本的な技術革新が必要不可欠である。日本でもこのパリ協定を受けて「エネルギー・環境イノベーション戦略」が2016年に取りまとめられた。この戦略の中では、エネルギー多消費型産業からの脱却を目指し、革新的生産プロセスの構築が掲げられている。つまり、エネルギーを大量に消費するような高温高圧プロセスに代わる革新的な生産プロセスの構築が求められることになるが、この要求に応え得る手法の一つとして有機電解合成法が挙げられる。

近年、有機電解合成は環境調和型な有機合成プロセスとして注目されている。常温常圧下であっても通常の有機合成反応に用いる熱エネルギーと桁違いのポテンシャルエネルギーを持ち、1.3Vの電位差は10000℃にも相当する。このように、有機電解合成は常温常圧といった穏和な条件下でも電位を制御するだけで化学反応を進行させることができ、生産プロセスにおける熱消費の大幅な削減に貢献できると考えられる。また、有機電解合成は、反応基質と電極間の直接的な電子移動により進行することから、一般的に有害とされる重金属などを含む酸化還元剤を用いる必要がない。更には、再生可能エネルギー由来の電力を利用した電解合成を行うことで持続可能な社会の構築においても大きく貢献することが期待される。

しかしながら、有機電解合成を実用化プロセスに導入する際に、後述するいくつかの課題が残されている。これら課題解決のために、本研究では固体高分子型燃料電池に採用されているプロトン交換膜(PEM: Proton Exchange Membrane)型リアクターの利用を着想した。

以上の背景から本博士論文では、PEM型リアクター中での新規有機電解合成システムの構築を見据えて種々の電解水素化反応について検討を行った。具体的には水素貯蔵のための有機ハイドライドの電解合成をはじめ、ファインケミカルズ合成を指向した安息香酸類の電解核水素化反応や不飽和カルボン酸類の電解不斉水素化反応の確立を目指した。

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