東大と九大、常温・常圧でのアンモニア合成触媒となる錯体の合成に成功

東京大学(東大)と九州大学(九大)は4月4日、窒素をアンモニアへと変換する窒素固定反応に適した配位子を持つモリブデン窒素錯体を分子設計し、合成に成功したと発表した。同錯体は、常温・常圧での触媒的アンモニア合成において、世界最高の触媒活性を示したという。

同成果は、東京大学大学院工学系研究科 西林仁昭教授、九州大学先導物質化学研究所 吉澤 一成教授らの研究グループによるもので、4月4日付けの英国科学誌「Nature Communications」に掲載された。

窒素ガスは非常に反応性が乏しく、直接窒素源として利用することができない。したがって、窒素ガスを利用が容易であるアンモニアへと変換する反応は非常に重要となる。 現在、アンモニアは大量のエネルギーを必要とするハーバー・ボッシュ法により工業的に合成されている。

一方で、自然界ではニトロゲナーゼと呼ばれる酵素が常温・常圧という温和な条件で窒素ガスをアンモニアへと変換していることが知られている。ニトロゲナーゼの活性中心は鉄およびモリブデンを含むことが明らかになっており、これをモデルとした窒素錯体を用い、温和な条件での窒素ガスの変換反応が研究されてきた。

同研究グループはこれまでに、PNP(リン-窒素-リン)型ピンサー配位子を持つモリブデン窒素錯体を触媒に用いて、常温・常圧で窒素ガスからアンモニアを合成する反応を開発していた。しかし、この反応では反応中に触媒が分解して反応が停止しやすいため、触媒活性が低いことが課題となっていた。

今回、同研究グループは、従来の触媒で用いていたPNP型ピンサー配位子よりも金属原子と強く結合し、かつ触媒反応条件下で触媒が分解しにくくなることを期待して、PCP(リン-炭素-リン)型ピンサー配位子を新しく設計し、これを持つモリブデン窒素錯体の合成に成功した。

これを触媒として用いて、常圧の窒素ガスを還元剤およびプロトン源と室温で反応させることで、触媒的にアンモニアが生成することが確認されている。同触媒は20時間の反応終了後にも触媒活性を示したという。

さらに、アンモニア合成速度も大幅に向上。同触媒1分子は窒素ガスから最高で230分子のアンモニアを合成することができる。従来のPNP型ピンサー配位子を持つモリブデン窒素錯体で生成されるアンモニアは23分子だったことから、触媒活性が10倍に向上したといえる。

同研究グループは今回の成果について、現行のハーバー・ボッシュ法を将来代替する触媒開発に向けて、重要な指針となることが期待されると説明している。