国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）催化化学聚变研究中心催化剂固定化设计团队 Norihisa Fukaya，首席研究员，Choi Jun-cheol，研究组组长，Kazuhiko Sato，研究中心主任，化学过程研究部化学系统集团首席研究员 Sho Kataoka、研究员 Nguyen Thuy 等人正在与 Colcoat Co, Ltd [代表董事兼社长野口由美子]（以下简称“Colcoat Co”）合作开发硅化学的关键原材料四烷氧基硅烷，沙子植物燃烧灰，我们开发了一种直接合成工业副产品的技术，比以前的时间更短，效率更高。
四烷氧基硅烷目前二氧化硅金属硅的过程在工业上制造的，并且制造过程的能源消耗和高成本是问题。这次，二氧化硅的沙子、植物燃烧灰、工业副产物等作为硅源，与醇反应，可一步高效地直接合成四烷氧基硅烷。该技术使用常用的无机脱水剂。分子筛与AIST之前报道的使用有机脱水剂的传统技术相比，该技术显着提高了反应效率，并扩大了适用的硅源范围，例如沙子和灰分。该技术有效利用了各种廉价且丰富的硅源。有机硅原料的节能、低成本制造开辟了一条新途径。
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| 利用稻壳、沙子和工业副产品等廉价硅源制造硅化工基础原材料 |
四烷氧基硅烷用作陶瓷和电子器件的保护膜和绝缘膜的原材料。也广泛应用于工业领域硅胶目前，四烷氧基硅烷的生产需要使用金属硅作为中间原料。这就需要大量的电能在高温下进行二氧化硅(主要成分为二氧化硅)的还原反应，导致能耗高、成本高。因此，希望开发一种由廉价的二氧化硅原料直接合成二氧化硅的技术，但由于技术难度高，半个多世纪以来一直采用使用金属硅的工艺进行工业生产。
AIST对有机硅功能化学品的制造工艺进行研究和开发。作为这项工作的一部分，我们的目标是开发一种不涉及金属硅的生产有机硅化学品的新方法，到目前为止，我们已经开发出一种以二氧化硅和醇为原料，并共存有机脱水剂、二氧化碳和少量催化剂的合成四烷氧基硅烷的方法（2014 年 5 月 20 日 AIST 新闻稿）。这次，AIST 和 Colcourt 合作开发了一种技术，可以比以前更短的时间、更高的效率合成四烷氧基硅烷。
这项研究开发是基于经济产业省的未来发展研究项目“产业技术研究开发（使用创新催化剂的化学生产工艺技术开发项目/有机硅功能化学品生产工艺技术开发项目）”（2012-2012财年）和国家研究开发公司新能源和产业技术开发组织“有机硅功能化学品生产工艺技术开发” （2014-2021 财年）（项目负责人：佐藤和彦）。
直接来自二氧化硅的四烷氧基硅烷产量为了实现良好的合成，需要从反应体系中除去与醇反应产生的水（图1）。为了利用砂、灰等各种低反应性的硅源，需要一种能够高效地从反应体系中除去水的脱水剂。此外，为了降低制造工艺的成本，期望脱水剂能够在反应后容易地与目标四烷氧基硅烷分离，并且能够回收和再利用。
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| 图1各种硅源与醇合成四烷氧基硅烷的反应式 |
这次我们在含有二氧化硅和乙醇的原料中添加了少量的催化剂氢氧化钾，分子筛，一种固体无机物，作为脱水剂添加并加热以引起反应。作为催化剂添加的氢氧化钾具有促进二氧化硅分解的作用，即硅氧键的断裂。此外，分子筛作为一种无机脱水剂，可以吸附反应生成的水并将其从反应体系中除去，防止反应向相反的方向倒退，并且比传统的有机脱水剂更有效地除去水。它的二氧化硅含量高，不易受到硅源中所含杂质的影响，因此与砂和灰的反应性低，即使使用二氧化硅纯度不高的天然硅源，也可以高收率合成四烷氧基硅烷。此外，由于分子筛为固体，反应后易于回收，可通过加热或减压再生，重复使用，这也有利于降低制造过程的成本。结果，反应时间为3小时四乙氧基硅烷获得了高产率（图2）。
硅质页岩粉碎的砂中，基于所含的二氧化硅，以51%的收率生成四乙氧基硅烷。另外，以稻壳灰为原料的含有大量二氧化硅的植物燃烧灰的反应收率为78％。以合成石英生产的工业副产品为原料时，收率为72%。
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| 图2 从各种硅源合成四乙氧基硅烷 |
图3显示了该技术与AIST先前开发的技术之间的反应效率的比较。此次开发的使用无机脱水剂的反应工艺能够在显着更短的时间内合成产物，并且收率更高。
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| 图3 新开发技术与传统技术反应效率对比 |
此次开发的技术可应用于多种丰富的含二氧化硅原料，且由于不涉及金属硅，有望带动有机硅原料的节能、低成本生产，为未来有机硅材料的扩大使用做出贡献。
未来，我们将致力于改进反应条件和催化剂，并从化学工程的角度优化整个反应过程，以实现更低成本的制造方法。此外，我们将与 Colcourt 合作解决商业化所需的技术问题，例如扩大规模，目标是在未来几年内实现商业化。