東京工業大学(東工大)は1月23日、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。
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LaCoSiの結晶構造 (出所:東工大Webサイト)
同成果は、東京工業大学の細野秀雄 教授、多田朋史 准教授、北野政明 准教授らは、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の阿部仁 准教授らの研究グループによるもの。詳細は英国の学術誌「Nature Catalysis」に掲載された。
温和な条件下でアンモニア合成を可能とする触媒は、オンサイトでの合成プロセスを実現するための鍵となる。高温・高圧を必要とするハーバー・ボッシュ法には鉄系触媒が工業的に使われ、より温和な条件下での合成にはルテニウム触媒が研究されている。
今回、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を開発した。電子が陰イオン(アニオン)として働く「電子化物(エレクトライド)」のコンセプトを拡張することで新触媒を検討し、ランタン(La)とコバルト(Co)の金属間化合物LaCoSiが貴金属を用いずに高い活性を示すことを見いだした。
コバルトはルテニウムに次ぐ活性を持つことが知られていたが、LaCoSiはこれまで報告されてきたコバルト系触媒でアンモニア合成において最高の活性を示す。LaCoSi内でのLaからCoへの電子供与が明らかにされ、それが高活性発現の鍵だと考えられている。
また、LaCoSiは従来の触媒に比べ窒素分子の切断(開裂)をより速やかに行うことができ、より低温でのプロセスに有利だという。この低い活性化エネルギーは、第一原理分子動力学計算などの解析結果から、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、窒素分子の新しい活性化機構が示唆されたとしている。
今回の成果を受けて研究グループは、この新しいコンセプトで物質探索することによって、窒素分子や炭酸ガスなどの不活性分子の低温での効率的活性化につながるものと期待されるとしている。
