事業成果

北野政明東京科学大学総合研究院元素戦略MDX研究センター教授らの研究グループは、地球上に豊富に存在するケイ酸塩化合物を出発材料とし、これまで常識とされてきた遷移金属に依存しない新しいアンモニア合成触媒を開発した。触媒とは、化学反応では消費されず、反応効率を高める目的で使用される物質である。

研究グループは、ケイ酸バリウム（Ba₃SiO₅）の結晶中の酸素の一部を、ヒドリドイオン（H^-）^※1や窒化物イオン（N^3-）に置き換えた触媒を合成した。この触媒では、反応中に置き換えたイオンが結晶中から脱離することでアニオン欠陥^※2が形成され、この欠陥に捕捉された電子が窒素分子を効率よく活性化した。その結果、既存のルテニウム触媒を大きく上回るアンモニア合成速度を示した。

アンモニア（NH₃）は、肥料や化学製品の原料として不可欠な物質である。近年では、水素（H₂）を高密度に含むことから水素キャリアとしても注目されている。水素キャリアとは、水素を別の物質に変えて安全に貯蔵・輸送するための物質である。

現在の工業用アンモニアは、高温・高圧を必要とするハーバー・ボッシュ法で合成されている。この方法は化石燃料と触媒を反応させて生じた水素を使用するため、副産物として大量の二酸化炭素が生じてしまう。環境保護の観点から、再生可能エネルギー由来の水素を用いた「グリーンアンモニア」合成を実現するためには、低温・低圧条件で機能し、かつ効率よくアンモニアを合成できる触媒の開発が求められている。

研究グループは、ケイ酸バリウム（Ba₃SiO₅）の酸素部分にヒドリドイオン（H^-）と窒化物イオン（N^3-）を高濃度に導入した混合アニオン化合物「Ba₃SiO₅-_xN_yH_z」を合成した（図1）。この化合物は、100時間以上安定してアンモニアを合成し続けるだけでなく、酸化マグネシウムに担持したルテニウム触媒などの従来型遷移金属触媒よりも、低温で10倍以上のアンモニア合成速度を示した。

この化合物は、アンモニアを合成する温度において、ヒドリドイオン（H^-）と窒化物イオン（N^3-）が脱離しやすく、その結果としてアンモニアを生成してアニオン欠陥が形成される（図2右）。このアニオン欠陥に電子が捕捉され、化合物全体が電子を多く含む状態になる。窒素と水素の存在下で加熱すると、これら電子が水素分子と窒素分子を活性化し、水素と窒素が再び化合物に取り込まれ、元の構造に回復する（図2左）。

このように、本化合物は構造を変化させながら、連続的にアンモニア合成反応を進行させる触媒として機能していることがわかった。