モリブデンを用いた新たなアンモニア合成触媒を開発―温和な条件下で持続的な合成可能に：理化学研究所ほか
(2024年1月22日発表)
（国）理化学研究所と東京大学、北海道大学の共同研究グループは1月22日、6原子程度から成る極微の金属クラスターが無数の細孔に取り込まれた触媒を創製したと発表した。この触媒を用い、大気中の窒素分子からアンモニアを持続的に合成することに成功した。アンモニアを二酸化炭素を排出せずに温和な条件下で合成できることから、省エネルギーや脱炭素社会への貢献が期待されるという。
アンモニア（NH3）は肥料や化学製品の原料として大量に使われている化学品。工業的には鉄（Fe）を触媒としたハーバー･ボッシュ法で窒素分子（N2）と水素分子(H2)を反応させて作っている。アンモニアの合成ではN2の強固な窒素－窒素三重結合の切断に高いエネルギーを要するため、150～350気圧、350～550℃という高圧高温を必要としていた。
研究グループはこの改善を目指し、Feに比べて窒素－窒素三重結合を効果的に切断することで知られるモリブデン(Mo)に着目、Moの金属クラスターを利用したアンモニア合成研究に取り組んだ。
開発した新技術は、まず、モリブデン（Mo）の金属クラスターにハロゲンが配位した化合物を、細孔のある多孔質担体に取り込ませる。その上で、1気圧の水素雰囲気下で加熱処理するという簡便な方法でハロゲン配位子をすべて外し、大きさ1nm(ナノメートル、1nmは10億分の1m)以下の金属クラスター触媒を得るというもの。多孔質担体には1nm以下の細孔を持つゼオライトを用いた。
窒素－窒素三重結合を効果的に切断するのにはハロゲン配位子を600℃程度の高温で加熱処理する必要があるが、そうするとMoクラスターが凝集して金属原子集合体になり，活性が低下してしまう。
そこで細孔を持つ多孔質担体の利用を考え出し、Moの凝集を防ぐことに成功した。細孔にはハロゲン配位子がすべて外れた6原子から成るクラスターが取り込まれる。
この触媒にN2とH2混合ガスを流通・反応させたところ、10気圧下400℃で約260時間、50気圧下では200℃でも約520時間、アンモニアが一定速度で生成、Moクラスターは比較的温和な条件でアンモニアを持続的に合成できる耐久性の高い触媒であることが分かった。実用触媒としての今後の開発が期待されるとしている。
