安価で高性能、調製も簡単なコバルト系アンモニア合成触媒を開発 名古屋大学

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名古屋大学は2021年10月14日、安価で高性能な新型のコバルト系アンモニア合成触媒(Co@BaO/MgO)を開発したと発表した。新型触媒は安価な元素を用いており、簡単に調製できて取り扱いも容易な酸化物をベースとしている。

アンモニアは水素の貯蔵/輸送媒体として注目されているのに加えて、燃焼してもCO2を排出しないことから日本では火力発電の燃料としても期待されている。こうしたことから、世界的に再生可能エネルギーを利用したカーボンフリーなアンモニアの合成を目指した新規触媒の開発が盛んとなっている。

再生可能エネルギーの利用を想定したプロセスでは、温和な条件(325~400℃、10~100気圧)で効率的にアンモニアを生産できる高性能な触媒の開発が求められてきた。しかし、このような条件でアンモニアを合成するためには高価で希少な資源であるルテニウムを使用する必要があり、ルテニウムを含まない高活性触媒の開発が強く期待されていた。また、簡単に調製でき、取り扱いが容易であることも工業化を目指す上での重要な課題だった。

名古屋大学大学院工学研究科の永岡勝俊教授、宮原伸一郎研究員、京都大学触媒・電池元素戦略研究拠点の佐藤勝俊特定講師らの研究グループは今回、安価で資源量も豊富なコバルトに注目。プロモーターとしてバリウムを添加した酸化マグネシウム担体にコバルトを担持し、これを高温で水素還元することによって、極めて高活性なコバルト系アンモニア合成触媒(Co@BaO/MgO)を開発。この触媒は、安価な材料によって構成され、前述の温和な条件下で極めて高いアンモニア合成活性を示すことを確認できた。

新型触媒は、重量当たり換算で従来型コバルト触媒(Co/MgO)と比較して、アンモニアの生成速度が極めて高く約90倍となっている。さらに、ルテニウム系触媒のベンチマークとして知られているCs+/Ru/MgOや、工業化が検討されたRu/CeO2を凌駕する性能を示すことが明らかになった。

さらに研究グループは、九州大学、北海道大学との共同研究によって、活性点が形成されるメカニズムや反応に対する作用機構を解明。球面収差補正走査透過電子顕微鏡(Cs-STEM)を用いた高分解能観察とエネルギー分散型X線分光器(EDS)によって触媒を詳細に分析し、この分析結果をもとに、密度汎関数理論による理論的な解析を実施した。

その結果、「活性点であるコバルトのナノ粒子が、酸化バリウムの微細な酸化物の破片で覆われたコアーシェル型の構造であること」「高温での水素還元処理により、大気中では炭酸塩として存在するバリウム種が分解され、コア-シェル型構造が形成されること」「酸化バリウムからコバルトの表面に電子が注入されることで、アンモニア合成の律速段階である吸着窒素の解離が促進されること。特に開発した触媒は、大部分のCoが高活性なアンモニア合成サイトとして機能していること」がわかった。

開発した触媒は、安価な元素を用いており、特に酸化物という極めてありふれた物質をベースに設計されたコバルト触媒によって、ルテニウム系触媒を超えるアンモニア合成性能を達成したことは学術的にも極めて重要な成果となる。

また、簡便な手法で調製でき、大気中で安定なため取り扱いも容易となっており、再生可能エネルギーを利用したカーボンフリーなアンモニア(グリーンアンモニア)の生産プロセスの実現が望まれる。今回の触媒設計を発展することで、さらに高活性な非貴金属系アンモニア合成触媒の創製につながることが期待できる。

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