大分大とJST、高効率でアンモニアを生産できるアンモニア合成触媒を開発

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大分大学工学部の永岡 勝俊准教授らの研究グループは2016年9月21日、既存の工業プロセスよりも理想的な条件で高いアンモニア合成活性を示す新規触媒(Ru/Pr2O3)を開発したと発表した。科学技術振興機構(JST)の戦略的創造推進事業の一環として行われた研究で、特許出願を完了している。

アンモニアは化学肥料の原料として食料生産の根幹を担っているほか、近年は再生可能エネルギーの貯蔵・輸送を担うカーボンフリーのエネルギーキャリアとしても注目されている。従来の工業プロセスでは、鉄を主成分とした触媒を用いて、非常に高い温度(>450℃)と圧力(>200気圧)のもとで合成を行うが、生成したアンモニアの濃度が高くなるとそれ以上アンモニアが生成しにくくなるため、投入エネルギーに見合うアンモニアが回収できず多量のエネルギーが浪費されるという問題があった。今回の新触媒はその問題を解決し、より温和な条件(350〜400℃、10~100気圧)下で高い生成能を示すものだ。

同研究グループでは、反応ガス中のアンモニア濃度の影響を受けにくいルテニウムに着目。担体に希土類元素の1つであるプラセオジムを用いて、Ru/Pr2O3触媒を開発した。Ru/CeO2やRu/MgOなどの従来型触媒と比べ非常に高い性能を持ち、9気圧という温和な条件でも、生成速度換算で従来型触媒の2倍以上の優れた触媒性能を示すという。

また、Ru/Pr2O3触媒がなぜ優れた性能を示すのかを検討した結果、ルテニウムが触媒表面にナノレイヤーとして析出し、触媒粒子全体を包み込むように担持されているという特殊な構造が判明。またRu/Pr2O3が強い塩基点を高密度に有していることもわかったという。

同研究グループでは、今回開発した触媒により、既存のプロセスの省エネ化・合理化、再生可能エネルギー由来のアンモニア生産プロセスの実現が期待できるとしている。

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