貴金属を使わない高性能アンモニア合成触媒を開発

新しい窒素分子の活性化機構を示唆

JST戦略的創造研究推進事業において、東京工業大学 細野秀雄教授、多田朋史准教授、北野政明准教授らは、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の阿部仁准教授らと共同で、貴金属を使わない高性能のアンモニア合成触媒を開発しました。

温和な条件下でアンモニア合成を可能とする触媒は、オンサイトでの合成プロセスを実現するための鍵となります。高温・高圧を必要とするハーバー・ボッシュ法には鉄系触媒が工業的に使われ、より温和な条件下での合成にはルテニウム触媒が研究されています。

今回、ルテニウムなどの貴金属の担持を必要としない高活性触媒を開発しました。電子が陰イオン(アニオン)として働く“電子化物(エレクトライド)”のコンセプトを拡張することで新触媒を検討し、ランタンLaとコバルトCoの金属間化合物LaCoSiが貴金属を用いずに高い活性を示すことを見いだしました。

コバルトはルテニウムに次ぐ活性を持つことが知られていましたが、LaCoSiはこれまで報告されてきたコバルト系触媒でアンモニア合成において最高の活性を示します。LaCoSi内でのLaからCoへの電子供与が明らかにされ、それが高活性発現の鍵と考えられます。

また、この触媒を用いた反応の活性化エネルギーは同グループが2012年に開発したルテニウム担持C12A7エレクトライド触媒よりもさらに低いものでした。つまり、LaCoSiは従来の触媒に比べ窒素分子の切断(開裂)をより速やかに行うことができ、より低温でのプロセスに有利です。この低い活性化エネルギーは、第一原理分子動力学計算などの解析結果から、窒素分子が触媒表面に吸着した際に窒素分子の振動が励起状態にあり、そこから原子への開裂が生じる、窒素分子の新しい活性化機構が示唆されました。

本研究成果は、2018年1月22日16時(英国時間)に科学誌「Nature Catalysis」のオンライン速報版で公開されました。

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