廃プラスチック由来燃料の効果的な排ガス低減のために合成したFe2O3–SiO2/Al2O3触媒を用いたSCRの性能特性評価

日常のエンジンから空気をきれいにする

ディーゼルエンジンはバスやトラック、農業機械、多くの小型発電機を動かしますが、同時に肺に有害で地球を温めるガスやすすを放出します。世界中で大量のプラスチック廃棄物も積み上がっています。本研究はこの二つの問題を同時に扱う方法を探ります：廃プラスチックを燃料に変え、その排気を新しい低コストの装置で浄化し、有害ガスが大気に到達する前に除去するというものです。

ディーゼル排気を抑えるのが難しい理由

欧州などの最新規制は、ディーゼル車が排出する窒素酸化物（NOx）、一酸化炭素（CO）、未燃焼炭化水素（HC）、および黒煙を大幅に削減することを求めています。選択的触媒還元（SCR）と呼ばれる主要技術はすでに、排気中に注入した尿素溶液から生成されるアンモニアとNOxを反応させてNOxを低減します。しかし市販の多くのSCRシステムは高価な貴金属に依存するか、有毒になり得るバナジウム化合物を使い、かつ狭い温度領域でしか効果を発揮しません。さらに厄介なのは、廃プラスチック由来の油と混合したディーゼルでは燃焼温度が高く不均一になり、追加のNOxや未燃焼燃料が発生して燃焼後の浄化がより難しくなることです。

一般的な鉱物から触媒を作る

研究者たちは、酸化鉄をシリカとアルミナと組み合わせ、ビーチサンドや石炭飛灰のような低コスト材料から調達した原料で構成された別種のSCRブロックを設計しました。惰性なセラミック素子に薄い活性層を被覆する代わりに、活性材料自体を堅牢なハニカム型に成形し、そのまま排気管内に設置できるようにしました。顕微鏡や分光解析では、鉄原子がメソポーラス構造内に細かく分散し、アンモニアとNOxが出会って反応するのを助ける酸性サイトと酸化還元サイトのバランスが良好であることが示されました。この構造は約150〜600℃の範囲で安定しており、小型ディーゼルエンジンが通常経験する温度域をカバーしています。

新しいブロックを実機エンジンに組み込む

実験室外での挙動を確かめるため、チームは5.2キロワットの単気筒ディーゼルエンジンの排気にハニカムブロックを取り付けました。エンジンは従来のディーゼル燃料とディーゼルとプラスチック由来油を50:50で混合した燃料の両方で、触媒あり・なしの条件で稼働させ、SCR反応用に尿素を注入してアンモニアを発生させました。ガス分析装置でブロックの前後のNO、CO、HC、二酸化炭素および黒煙を測定しました。異なる負荷条件にわたり、触媒は純ディーゼルで約68％、プラスチック混合燃料で75％のNO低減を達成し、最大負荷時には約85％のNO低減に達しました。同時にHC、CO、黒煙はそれぞれおおむね55〜65％、45〜55％、55〜60％低下し、燃費に大きな悪影響はありませんでした。

微細な孔が重要な役割を果たす仕組み

表面解析は、このブロックが内部でどのように機能するかを明らかにしました。孔の内部には酸化状態を迅速に切り替える鉄サイトがあり、NO分子を捕捉します。一方で近傍の酸性領域がアンモニアを保持します。表面上で吸着したこれらの種は段階的な反応機構を通じて窒素と水を生成し、副生成物の発生を抑えます。鉄を添加すると総表面積はやや減少しましたが、利用可能な有効な活性点が増え、それらは排気ガスへのアクセス性を維持しました。長時間の運転前後の試験でもハニカム構造と性能はほとんど変化せず、高温下での焼結や崩壊に対する熱安定性と耐久性が高いことが示されました。

エンジンとプラスチック廃棄物にとってよりクリーンな道筋

専門外の方に伝えたい主要なメッセージは、鉄と一般的な鉱物酸化物から作られた単純なブロックが、貴金属やバナジウム系のシステムに匹敵するかそれを上回る形でディーゼル排気を浄化でき、コストが低く有毒成分を避けられる、という点です。広い温度範囲で機能し、従来のディーゼルだけでなく廃プラスチック由来の燃料にも対応し、有害ガスと黒煙を大幅に低減しながら燃料消費に大きなペナルティを伴いません。規模を拡大してさらなる最適化が進めば、この種の触媒は日常のエンジンによる汚染を削減し、プラスチック廃棄物のより循環的な利用を支える可能性があります。

引用: Premkumar, S., Panneerselvam, S., Balasubramanian, D. et al. An evaluation of the performance characteristics of SCR utilizing a Fe₂O₃–SiO₂/Al₂O₃ synthesized catalyst for effective diesel engine exhaust emission reduction. Sci Rep 16, 13932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43472-1

キーワード: ディーゼル排気, 選択的触媒還元, 酸化鉄触媒, プラスチック廃棄物燃料, 排出制御