二氧化硅（SiO2）和二氧化碳（CO2）合成有机化合物原料

　　前言：
　　作为石头和沙子的主要成分，从地球上随处可见的二氧化硅（SiO2）和二氧化碳（CO2）中产生了有用的有机化合物原料。一方的原料被认为是从无穷尽的SiO2能诱导的硅化合物，另一方被认为是全球变暖的原因物质，削减和再活用急迫的CO2。在产综研长期从事硅化学的研究者和以二氧化碳转换为研究主题的研究者联手，在产生的技术中，综合化学制造商东锯株式会社加入，开发出了可以制造可持续发展的化学合成品。以低成本化和合成过程的进一步效率化为目标，研究将进入实用化的下一阶段。
　　想把硅化合物变成有用的化学品
　　这次的研究是以用CO2和沙子制作化学品的想法为基础的。削减！抑制排放！以容易被讨厌的CO2作为碳源，使用砂和岩石等被认为到处都有的硅（Si），以低成本制作对可持续发展有用的化学品是目标。
　　从学生时代开始从事关于硅的研究的催化剂化学融合研究中心的深谷研究组长这样说。
　　关于硅，我认为在日本做这么长时间的研究者也不多。虽然也有稍远的时期，但我还是想把可以说是无穷无尽资源的硅化合物作为有用的化合物，一边这样想着一边继续研究。
　　那个硅化合物是什么样的呢。作为原料的硅（Si）占地球表面存在的元素的25。8，仅次于氧的49。5，位居第二。硅资源大部分作为二氧化硅（SiO2）包含在岩石和沙子中。因为在地球上任何地区都被采集，没有毒性，所以是廉价有用的资源，但是作为合成材料在产业上开始被活用并不是很古老的事情。
　　20世纪初，合成了具有硅碳键的有机硅化合物，不久就产生了以硅氧键（硅氧烷键）为骨架的有机硅高分子化合物有机硅。以此为基础开发了很多树脂和油等工业产品，现在使用了很多利用耐热性、防水性、绝缘性、非粘接性等优点的产品。
　　另一方面，在硅原子上结合了与有机物反应的有机反应基和水解基的硅烷偶联剂，作为使玻璃等无机材料和树脂等有机材料结合的中介作用而被开发，作为异种材料的接合和无机材料的表面处理中不可缺少的物质而被活用。
　　但是，作为这些化学品原料的单体金属硅和有机硅化合物在自然界中都不存在。为了合成硅化合物，必须经过将高纯度的二氧化硅在电炉中熔化并还原为金属硅的过程。由于这个过程使用大量的电力，合成的化学品不得不成本高昂。因此，金属硅的制造是在电力费用、劳动单价、环境限制等条件有利的特定国家或地区进行的，无论在哪里都可以采用，本应廉价的硅的优点在现实中几乎没有发挥出来。顺便说一下，在电费高的日本几乎不进行制造，几乎全部依靠从中国等地进口。
　　在有机硅化合物中，用于此次开发的是四乙氧基硅烷（Si（OC2H5）4、TEOS）。TEOS作为有机硅材料的原料具有广泛用途的物质（常温下为液体），其制造也需要将二氧化硅还原为金属硅的工艺，大量使用能源，成本变高是课题。
　　直接由二氧化硅合成TEOS
　　不经过金属硅，能否直接从廉价的二氧化硅中合成TEOS？。深谷等人提出的课题被认为技术难度很大。难以直接合成的主要原因是二氧化硅是非常稳定的化合物。在由二氧化硅和醇生成四烷氧基硅烷和水的工艺中，由于二氧化硅的化学稳定性，进行反反应，生成四烷氧基硅烷的正向反应不简单地进行。
　　致力于这个课题的深谷等人到达的是，在反应体系中采用具有作为水分子的吸附剂的细孔的固体无机物的分子筛的想法。通过用该方法从反应体系中除去水，可以抑制反反应的进行。而且分子筛没有反应性，容易与生成的TEOS分离，容易回收和再利用。
　　并且，该反应的催化剂使用氢氧化钾。氢氧化钾发挥促进二氧化硅的硅氧键的切断的效果。该方法的TEOS产率超过70，反应所需时间也比之前设计的方法短得多。
　　用于合成的压力容器
　　想以CO2为原料
　　以TEOS技术为基础，与深谷一起研究能否将CO2作为原料的课题的是催化化学融合研究中心的崔准哲研究组长。以开发以CO2为碳源制造有用化学品的技术为目标，长期持续研究。
　　众所周知，随着全球变暖对策的动向，越来越多的企业被迫采取具体的脱碳措施。特别是经过日本政府在2020年发表的2050年碳中和宣言，脱碳既是社会性的要求，同时也是企业的商机，对研究者和技术人员来说，也是创新的契机和研究开发的动力。
　　到现在为止作为面向脱碳的搭配，由于再能源和节能的CO2排泄量削减被谈的事多，对CO2变换关心的研究者未必多。现在，其流动也发生了很大的变化，企业和研究机构等开始了回收排出的CO2，从中合成有用物质等，面向将CO2转换为碳资源的碳再利用的积极努力。
　　国家也在2019年总结了碳再利用技术路线图，提出了活用CO2，以合成从聚氨酯、聚碳酸酯等含氧有机化合物到烯烃等通用化学品的有用材料为目标的目标。
　　这个领域的研究，以前也有过突然流行的时期。但是，一个项目结束后，研究室就减少了。我自己不放弃，长期努力，也许可以说是时代追上了。。
　　崔作为研究对象的CO2也是稳定的化合物。在合成有机化合物的反应中，存在容易发生返回CO2的反反应的与二氧化硅相同的问题。崔某得知深谷队的研究成果后，考虑TEOS技术是否可以应用，于是向深谷打了招呼，在深谷队的协助下进行了研究。关注这一技术的是综合化学制造商东锯株式会社。
　　想把聚氨酯制造成可持续的
　　在氨基甲酸酯制造方面占据国内首位的综合化学制造厂东曹，在削减CO2的同时，对有效利用CO2作为原料的CO2转换抱有强烈的兴趣。
　　东曹的主要产品聚氨酯是以光气（COCl2）为原料制造的。光气由于可以简便地合成低成本、高质量的有用有机化合物，因此被用于工程塑料制造原料等广泛的用途。
　　但是，光气是腐蚀性很强的剧毒气体，而且作为原料的一氧化碳是由化石资源制造的，从环保的观点来看也是问题多多的制造原料。东曹正是因为这个原因，摸索出不使用光气、环保、低成本的氨基甲酸酯合成法。
　　虽然这项研究进行得很广泛，但开发出来的替代方案都在成本方面，没有实用化的目标，依赖光气的情况一直持续着。因此，虽然这项研究一度陷入低潮，但东曹着眼于产综研的技术。在聚氨酯合成过程中，有人提议能否将CO2作为碳源加以利用，因此风向发生了变化。（崔）
　　崔导认为，如果通过CO2的利用得到环境亲和性的奖励，也许能实现不亚于光气的低成本。
　　用新的催化剂从二氧化碳和二氧化硅的合成成功
　　在氨基甲酸酯制造中不使用光气，作为碳源活用CO2的合成法，从以前开始在各方面被研究。
　　利用CO2的氨基甲酸酯合成法中最大的问题是副产物的水。生成的水进行反反应或降低催化剂的效率。因此，崔队注意到，深谷队通过不从沙子和灰中生成水的方法，成功地合成了TEOS。使用TEOS，将CO2作为碳源应用于反应中。
　　进而，使用含有锆的催化剂锆乙氧基化物作为催化剂。利用研究CO2利用的崔等人的经验，经过反复试验，终于找到了这种催化剂。因为不生成水，所以催化剂的寿命也很长。这种催化剂的选择成为了实验成功的关键。
　　合成成功聚氨酯原料
　　用实用化来满足社会的期待
　　在实验室里，深谷小组作为二氧化硅的原料用于该反应的主要是沙子和灰。作为灰，使用脱粒后的稻壳和稻草燃烧后剩下的东西。由于植物中也含有相当量的二氧化硅，因此农作物的副产物成为良好的二氧化硅源。沙子和灰烬都是环境和谐的原料。并且崔队开发了把CO2作为碳源活用的合成法，开发了可持续合成氨基甲酸酯原料的方法。产综研的两队和东锯以2030年的实用化为目标进一步深化共同研究。
　　今后，到实用化为止的课题主要有两个。第一是经济性即成本。为了实现能够对抗廉价光气的成本，需要提高反应效率，扩大反应规模。第二个是抑制CO2转换所使用的能量。在工厂大量生产的前提下，必须实现进一步降低消耗能源的技术开发。为了进一步降低环境负荷，还要求对整体的能量收支和物质收支进行判断的生命周期评价。
　　CO2的有效利用和削减一样是社会的期待和要求。为了使这次开发的可持续技术开花结果，必须尽快推进实用化，并将其成果回馈社会。深谷和崔秉烈的团队在与东曹的合作下，正在稳步推进将新开发的氨基甲酸乙酯推向世界的研究活动。