広報活動

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2013年6月28日

理化学研究所

窒素分子の切断と水素化を常温・常圧で実現

-産業に多く利用されるアンモニアの新しい合成法の開発に道を拓く-

窒素と多金属チタンヒドリド化合物の反応プロセス図

窒素と多金属チタンヒドリド化合物の反応プロセス

窒素分子は化学式N2で表され、常温・常圧で無色透明な気体です。大気の約8割を占めるほど豊富に存在しています。2つの窒素原子が三重結合という強い結合で結ばれているため、非常に安定な分子です。安定であるということは、逆にいえば反応性が乏しいということで、ほとんどの生物は大気中の窒素を直接利用することができません。自然界で窒素の三重結合を断ち切れるのは「ニトロゲナーゼ」という酵素を持つ細菌だけです。窒素は、肥料の3要素の1つに挙げられるほど農作物にとって重要ですが、農作物を増産するには窒素酸化物など自然界が作った固定窒素だけでは足りません。これを解決したのがハーバー・ボッシュ法で、触媒を使って窒素からアンモニアを合成する手法です。アンモニアは肥料から医薬品原料まで幅広く産業利用されています。ただ、この手法の難点は合成時に500℃の高温と300気圧の高圧を必要とすることで、アンモニア合成に使われているエネルギーは、何と人類の年間消費量の1%に上るといわれています。

研究グループは、より低温・低圧の下でもアンモニアを合成できる新しい手法の開発に取り組みました。アンモニア合成では窒素分子の「窒素―窒素結合」を切断し、「窒素―水素結合」を形成しなければなりません。そこで、3つのチタン原子と7つのヒドリド(マイナスの電荷を持った水素イオン)原子からなる多金属ヒドリド化合物を開発しました。この化合物と窒素を反応させたところ、常温・常圧で窒素分子の「窒素―窒素結合」を切断し、「窒素―水素結合」を形成していることが分かりました。常温・常圧で窒素がヒドリド化合物によって固定され、水素化された初めての例となります。

この反応では、窒素分子の切断のための電子(e)を与える電子剤や、アンモニア生成に必要なプロトン(H)を与えるプロトン源を、新たに必要としませんでした。チタンヒドリド化合物のヒドリド原子(H)が電子を与える電子剤として働いて窒素分子の結合を切断し、また電子を放出することでプロトン源の役割りを果たして、窒素の水素化を実現しました。

この成果は、省エネ・省資源型の新しいアンモニア合成法の開発につながると期待できます。

理化学研究所
環境資源科学研究センター 先進機能触媒研究グループ
グループディレクター 侯 召民 (こう しょうみん)
上級研究員 島 隆則 (しま たかのり)