東工大など、貴金属を使わない金属間化合物アンモニア合成触媒を開発

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シミュレーションから示唆された反応機構

科学技術振興機構(JST)は2018年1月23日、東京工業大学と高エネルギー加速器研究機構が共同で、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たと発表した。JST戦略的創造研究推進事業における成果だ。

温和な条件下でのアンモニア合成の触媒として、ルテニウム触媒の研究が進められているが、今回開発したのは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だ。研究グループは、電子が陰イオン(アニオン)として働く化合物である「電子化物」(エレクトライド)の考え方を拡張した形で新しい触媒を検討。ランタン(La)とコバルト(Co)の金属間化合物「LaCoSi」が、貴金属を使用しなくても高い活性を示すことを発見した。

コバルトは従来よりルテニウムに次ぐ活性を持つことが知られていたが、金属間化合物LaCoSiは、これまでのコバルト系触媒でのアンモニア合成において最も高い活性を示すという。

加えて、今回開発した触媒による反応の活性化エネルギーが従来より低いために、窒素分子の切断(開裂)を速やかに行うことができ、低温でのプロセスに有利であることが分かった。さらにこの低い活性化エネルギーは、「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」という、これまで認められていなかった窒素分子の新しい活性化機構であることも示唆されたとしている。

同研究グループによると、今回用いた触媒は比表面積が小さいことから、更なる高活性化を目指すには、ナノ粒子化による比表面積増加が最もストレートなアプローチになるという。また、同様のコンセプトで物質探索することで、窒素分子や炭酸ガスなどの不活性分子の、低温下での効率的な活性化につながることが期待されるとしている。

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