この記事で分かること

レアアースの代替技術：ケイ素比率の増加によるゼオライトの耐熱性向上

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はリン修飾による流動接触触媒でのレアアースフリー化に関する記事でしたが、今回はゼオライト骨格中のケイ素比率を高める技術に関する記事となります。

なぜケイ素比率の増加で骨格を強化できるのか

　Y型ゼオライトなどのケイ素比率（Si/Al比）を高めることで骨格が強固になる理由は、「結合の強さ」と「弱点（アルミニウム）の削減」という根本的な物性の違いにあります。

1. Si-O結合の圧倒的な耐水性と安定性

• ゼオライトの骨格を形作るケイ素と酸素の結合（Si-O）は、アルミニウムと酸素の結合（Al-O）に比べて化学的に極めて強固です。
• Al-O結合は極性が高く、FCCの再生塔にある高熱の水蒸気による攻撃（加水分解）を受けて簡単に切断されてしまいますが、Si-O結合は水分子の影響を受けにくく、安定を保ちます。

2. 構造崩壊の引き金（アルミニウム）の削減

• 骨格から抜け落ちて構造崩壊を引き起こす原因となる「アルミニウム原子」の割合自体をあらかじめ減らすことで、劣化の起点そのものを最小限に抑え込みます。

3. ランタンに頼らない本質的な高耐熱化

• 従来はランタンイオンを「アンカー（留め具）」として打ち込むことで脆弱なアルミ周辺を補強していましたが、ケイ素比率を上げて骨格そのものをガラスや石英に近い高シリカ構造にすることで、レアアースの助けなしでも過酷な熱水環境に耐えられるようになります。

ケイ素比率の増加は触媒能にどう影響するのか

　ゼオライトのケイ素比率（Si/Al比）を高める（アルミニウムを減らす）と、触媒の「分解活性」や「生成物の選択性」に以下のような大きな影響を及ぼします。

1. 酸点の減少と分解活性の低下

• ゼオライトの触媒作用（炭化水素を分解する力）の源泉は、アルミニウムに由来する「酸点」です。ケイ素比率を増やす（アルミを減らす）と、触媒全体に含まれる酸点の数が減るため、重質油を分解する基本的な活性（反応速度）が低下するというトレードオフが生じます。

2. コーク（炭素かす）の生成抑制

• 酸点が多すぎると、生成した分子がさらに過剰に分解（二次分解）されてコークになり、触媒を急速に劣化させます。高シリカ化により酸密度が適度に低くなることで、過剰分解が抑えられ、コークの蓄積が減少して触媒寿命が延びます。

3. 生成物の選択性（プロダクト分布）の変化

• 酸の密度が低下して過剰分解が防がれるため、不要な軽量ガス（メタンやエタンなど）への転換が抑えられます。その結果、目的とするガソリン留分やプロピレンなどの軽質オレフィンの収率バランスを制御しやすくなります。

4. 疎水性の向上と水蒸気耐性

• ケイ素リッチな構造は水分子を弾く「疎水性」が高くなります。これにより、再生塔の高温水蒸気環境下で水分子による攻撃（ゼオライト骨格の破壊）を受けにくくなり、優れた耐久性を発揮します。

分解活性を補う方法にはどのような技術があるのか

　高シリカ化（Si/Al比の向上）によって耐熱性や選択性が向上する一方で、分解活性の源泉である酸点が減少し、重質油の分解速度が低下するというトレードオフを克服するため、触媒設計の現場では以下のような高度な工夫が凝らされています。

1. メソ孔（階層的構造）の導入による拡散性の向上

• 高シリカ化されたゼオライトは結晶内部の微細な穴（マイクロポア）が中心ですが、原油中の巨大な重質油分子は奥の酸点にたどり着く前に拡散抵抗を受けてしまいます。
• そこで、結晶中に意図的にメソ孔（2〜50nmの中くらいの穴）を網目状に発達させた「階層的（ハイアーキカル）ゼオライト」や「メソポーラスゼオライト」と呼ばれる構造に仕立てます。これにより、分子がスムーズに出入りできるようになり、実効的な分解活性を大きく引き上げます。

2. アクティブ・マトリックス（母材）の活用

• ゼオライト粒子の周囲を固めるバインダーやマトリックスを、単なる固定用の「糊」ではなく、それ自体が分解活性を持つ「アクティブ・マトリックス（アモルファスシリカ・アルミナや特殊な粘土鉱物）」として設計します。
• 巨大な分子はまずマトリックス側の広い孔で一次分解（予備分解）され、そこで小さくなった分子がゼオライトの酸点で効率よく目的物に変換されるという「二段構えの役割分担」によって、ゼオライト単体の活性低下を補います。

3. 酸点の精密な配置・表面修飾コントロール

• 単にアルミニウムの総量を減らすだけでなく、残された貴重なアルミニウム（酸点）が触媒の表面や反応しやすい最適な位置に集まるように合成プロセスを制御します。これにより、酸の数が少なくても最大の効率を発揮させることが可能です。