週刊サイエンストーク丨小さな触媒が空気の質の改善に役立つか？

8月に生態環境省は、国内の大気環境の状況についてメディアに報告した。 1月から8月まで、全国339の地級市以上の都市の空気の質が良い日の平均割合は83.2％で、PM2.5の平均濃度は1立方メートルあたり29マイクログラムで、前年同期比3.6％増、2019年の同時期比17.1％減となった。

近年、空気の質は改善されていると感じますか?特に北の方に住んでいる人は、青空が増えたことをはっきりと感じることができます。北京を例にとると、青空はもはや「贅沢」ではなく、天気の良い日がますます増えています。 2022年には、空気の質が良好な日が286日あり、2013年より110日多くなりました。言い換えれば、空気の質が良い日が4か月近く多かったことになります。

一般的に、空気の質の問題を引き起こす主な原因は、微粒子物質（PM2.5）、二酸化硫黄（SO2）、窒素酸化物（NOX）、一酸化炭素、その他の大気汚染物質です。大気を制御するには、まずこれらの汚染物質から始めなければなりません。近年の大気汚染防止・抑制の過程を振り返ると、大気中のPM2.5やSO2の濃度は大幅に低下しているものの、それに比べるとNOXの減少はそれほど速くないことがわかります。 「2022年中国大気報告特別版」によると、2011年から2022年にかけて、中国のSO2総排出量は86％減少したが、NOXの減少はわずか約58％にとどまった。つまり、NOXはまだ低減できる余地が大いにあるということです。 NOX 排出を制御するのが難しいのはなぜですか?

まず第一に、NOXの発生源はSO2の発生源よりも複雑です。 SO2 排出は主に石炭火力発電所や工業用ボイラーなどの固定排出源から発生しますが、NOX 排出は自動車の排気ガスなどの移動排出源からも発生します。そのため、科学者はさまざまなシナリオに適用できるように、さまざまな NOX 汚染制御技術を研究する必要があります。

一方、選択触媒還元（SCR）脱硝技術とも呼ばれるNOX汚染制御技術は、SO2脱硫技術よりも遅れて適用されました。さまざまな分野や産業における SCR の応用にも、いくつかの問題が存在します。たとえば、火力発電所では、SCR は石炭と石油の燃焼により大量の煙が放出されるというジレンマに直面しています。 SCR を粉塵除去の前に配置した場合、煙が触媒を詰まらせやすくなり、NOX 除去の効率に影響します。最初に粉塵を除去してから SCR を配置すると、排気ガスの温度は比較的低くなり、SCR 技術触媒の有効温度範囲内にはなりません。セラミック、ガラスなどの業界では、産業廃ガス中にアルカリ金属や重金属が依然として存在しており、SCR触媒は簡単に被毒して活性を失います。

触媒が SCR 技術の重要な部分であることは容易に理解できます。既存の触媒は、低温、煙、金属中毒にうまく対処できません。

しかし、中国の科学者たちもこの困難を克服するために懸命に取り組んでいます。その中で、中国工程院院士で中国科学院生態環境研究センター副センター長の何紅氏が主宰する「燃焼排ガス中の窒素酸化物の触媒浄化に関する基礎研究」では、低温域での触媒の活性を効果的に向上させることができる一連の新しい触媒を設計した。この研究は、2019年に国家自然科学賞の2等賞を受賞しました。研究者らは、触媒反応に関する徹底的な研究を経て、効率的な触媒設計原理、すなわち触媒の酸化還元部位と酸性部位の緊密な結合の原理を導き出しました。簡単に言えば、触媒反応では酸化還元部位と酸性部位の両方が必要です。設計時には、反応がスムーズに行われるように、これら 2 つのサイトを緊密に結合させる必要があります。同じタイプのサイト、たとえばそれらすべてが酸化還元サイトである場合、触媒反応が起こるためのより広い領域を確保するために、それらを触媒表面上に高度に分散させるのが最適です。

この設計原理に基づいて、He Hong 氏のチームは、低温でも優れた性能を発揮できる一連の新しい触媒を開発しました。その中で、何宏氏のチームの指導の下で改良されたバナジウムベースの触媒は産業用途に応用され、大型ディーゼル車の排気ガス浄化装置に搭載され、ディーゼル車からの窒素酸化物排出量を70％以上削減することに成功しました。今後、触媒の研究が進み、その成果が産業に普及すれば、大気中の窒素酸化物の排出抑制は問題ではなくなると信じています。

著者: ファン・ケシン、インペリアル・カレッジ・ロンドン学長

ゲートキーパー：科学技術ヘラルド副編集長、朱野花

中国科学技術協会科学普及部

新華網

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