大気中の窒素分子からアンモニアを低温度で持続的に合成
理研・東京大学・北海道大学が、共同で極微金属クラスター触媒を創製
理化学研究所（理研）環境資源科学研究センター先進機能触媒研究グループの上口賢専任研究員、侯召民グループディレクター（環境資源科学研究センター副センター長）、東京大学大学院工学系研究科化学システム工学専攻の中山哲教授、北海道大学触媒科学研究所の清水研一教授らの共同研究グループは、6原子程度から成る金属クラスター[1]が無数の細かい穴（細孔）に取り込まれた触媒を創製し、これを用いて大気中の窒素分子（N2）からアンモニア（NH3）を低い温度でも持続的に合成することに成功した。
本研究成果は、極微サイズの金属クラスターの新しい合成手法を提案し、燃焼時に二酸化炭素（CO2）を排出しないアンモニア燃料の合成を温和な条件下で可能にするもので、省エネや脱炭素社会への貢献が期待される。
共同研究グループは、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、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全て外し、大きさ1ナノメートル（nm、1nmは10億分の1メートル）以下の金属クラスター触媒を創製した。この触媒では複数のMo原子が協同的に働くことにより安定なN2を効率的に切断でき、温和な条件で持続的にアンモニアを合成できる。
本研究は、科学雑誌『Chemical Science』オンライン版（2024年1月22日付：日本時間1月22日）に掲載された。
アンモニア（NH3）は肥料や窒素原子を含んだ化学製品の原料として大量に使われる。最近では温室効果ガスである二酸化炭素（CO2）を排出しない燃料としても注目されており、工業的には、アンモニアは窒素分子（N2）と水素分子（H2）から、鉄（Fe）の固体触媒を用いたハーバー・ボッシュ法[2]により合成されている。
高圧高温条件（150～350気圧下350～550℃）が必要なため、温和な条件で合成できる触媒の開発が求められている。アンモニア合成では、特に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し、ハーバー・ボッシュ法では複数のFe原子が協同的に働くことにより結合の切断が促進されると考えられている。本研究では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）の金属クラスターを利用したアンモニア合成研究に挑んだ。
近年、N2の切断過程に大きなエネルギーを必要としない高活性なアンモニア合成触媒が開発され、その中には切断を効果的に行えるよう強い電子供与性を有する反応性の高い特殊な成分を加えているために取り扱いが難しい触媒もある。今回開発した触媒は、特殊な成分を使わずにN2を比較的低い温度でも効果的かつ持続的に切断できる上、安全に取り扱える。
今後、触媒改良および活性向上により、温和な条件下で安全かつ大量にアンモニア合成を行う実用触媒の実現への道が開け、燃焼時にCO2を排出しないアンモニア燃料の増産が促進されるなど、省エネや脱炭素社会への貢献が期待できるとしている。
今回の極微サイズの金属クラスターは、ハロゲン配位子を持つクラスターを多孔質担体に担持させ、1気圧の水素流通雰囲気下で加熱するという簡便な手法で創製した。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への貢献も期待できる。
[1] 金属クラスター：多数の金属が金属－金属結合を介して集まった集合体。窒素や炭素など非金属原子を内包したクラスターも知られているが、ここでは内包原子を持たないモリブデン（Mo）のクラスターを用いている。
[2] ハーバー・ボッシュ法：ドイツのフリッツ・ハーバーが実験室で成功した研究を、化学品製造会社BASF社のカール・ボッシュが1913年に工業化したアンモニア合成法。鉄（Fe）を含む触媒を用いて、窒素分子と水素分子を高温・高圧で反応させることでアンモニアを合成する。350～550℃、150～350気圧という条件が必要になるため、膨大なエネルギーを要する。
