アンモニアを合成できる極微金属クラスター触媒を作製――温和な条件で持続的に合成理研ら

理化学研究所（理研）は2024年1月22日、同研究所と東京大学、北海道大学の共同研究グループが、アンモニアを合成可能な極微金属クラスター触媒を作製したと発表した。

アンモニアは、肥料や窒素原子を含む化学製品の原料として用いられる。また近年は、CO₂を排出しない燃料としても注目されている。

アンモニアは、鉄の固体触媒を用いた「ハーバー・ボッシュ法」により、窒素分子と水素分子から合成される。合成には150～350気圧下、350～550℃という高圧高温条件が必要となるため、温和な条件で合成できる触媒の開発が求められていた。

同研究グループは今回、ハロゲンが配位した6原子のMo（モリブデン）からなるクラスターを用いた。Moクラスターと同程度となる1nm以下の大きさの細孔を有するゼオライト（多孔質担体）にクラスターを担持させ、水素流通雰囲気下600℃で加熱処理している。

この結果、ハロゲン配位子が全て外れた後でも、6原子からなるMoクラスターが原子の平均数をほぼ保ったまま細孔に取り込まれた。

アンモニア（NH₃）合成スキームのイメージ

また、Moクラスターを細孔に取り込んだゼオライトに対し、窒素と水素の混合ガスを流通、反応させた。

この結果、10気圧下400℃では約260時間、50気圧下では200℃でも約520時間にわたって、アンモニアが一定の速度で生成することを確認している。200℃・約520時間での生成は、200℃の反応としては過去最長レベルだという。

Moは、鉄などに比べて窒素－窒素三重結合の切断能が高い。さらに、理論計算により、Moクラスター触媒ではMo原子が協同的に働き、窒素－窒素三重結合を効率よく切断することが判明した。

今回開発した触媒は、特殊な成分を用いずに窒素を比較的低い温度で効果的／持続的に切断可能。また、安全性にも優れる。今後、アンモニア合成での実用化が進むことで、アンモニア燃料の増産につながることが期待される。

また、極微サイズの金属クラスターの確立という研究成果は、ナノ材料分野の研究や応用にも寄与することが期待される。

アンモニアを合成できる極微金属クラスター触媒を作製――温和な条件で持続的に合成　理研ら