計算化学に基づいて巧みに分子設計された超高活性アンモニア生成触媒の開発に成功!

~ 触媒活性の世界最高記録を大幅に更新! ~

ポイント

・常温常圧の温和な反応条件下で、窒素ガスと水からのアンモニア合成反応における触媒活性の自らの世界最高記録(Ashida and co-workers, Nature, 2019, 568, 536)を大幅に更新した(アンモニア生成量で約15倍、生成速度で約7倍の向上に成功!)。
・触媒反応の反応機構を精査することで、分子触媒の適切な分子設計を計算化学的手法により予測した。分子設計に基づき新規に合成したモリブデン錯体が予測通り極めて有効な触媒として機能した。
・本研究成果は、エネルギーキャリアとして期待されるアンモニアを高効率で合成する有用な触媒を提供しただけでなく、計算化学に基づいたアプローチによりさらなる高活性な触媒開発への展開が期待される。

概要

 東京大学大学院工学系研究科の西林仁昭教授、九州大学先導物質化学研究所の吉澤一成教授、大同大学教養部の田中宏昌教授らによる研究グループは、分子触媒を用いた常温常圧の極めて温和な反応条件下で進行する窒素ガスと水からの触媒的アンモニア(注1)合成反応において、2019年にNature誌に掲載された論文(Ashida and co-workers, Nature, 2019, 568, 536)で達成した触媒活性の世界最高記録を大幅に更新した。新しく開発に成功したモリブデン錯体を触媒として用いることで、反応に用いた触媒当たりのアンモニア生成量で約15倍(触媒当たり60,000当量のアンモニアが生成)を達成し、単位時間当たりのアンモニア生成速度で約7倍(1分間で触媒当たり800当量のアンモニアが生成する触媒活性)に向上させることに成功した。
 最初に、触媒的アンモニア生成反応の反応機構を詳細に検討することで触媒反応の律速段階(注2)を特定した。この実験結果を踏まえて、触媒反応の反応速度を飛躍的に向上させることが期待できるモリブデン錯体の分子設計を計算化学に基づいて行った。この計算化学による分子設計を踏まえて、予測された新規なモリブデン錯体の合成を実際に行った。設計・合成された新規なモリブデン錯体を用いた触媒的アンモニア生成反応を行ったところ、予測通りに従来の触媒活性を大幅に向上する結果を達成した。
 本研究成果は、化石燃料を原料として用いた工業的なアンモニア合成法であるハーバー・ボッシュ法(注3)に代わる二酸化炭素を排出しない方法でアンモニアを合成するグリーンアンモニア合成反応の開発につながる大きな研究成果である。また、エネルギーキャリアとして期待されるアンモニアを高効率で合成する有用な触媒を開発しただけでなく、計算化学に基づいたアプローチによりさらなる高活性な触媒開発への展開が期待される意義深いものである。
 本研究成果は、2023年4月17日(英国夏時間)に「Nature Synthesis」(オンライン速報版)で公開された。

用語解説

(注1)アンモニア
NH3で表される常温・常圧で無色の気体。アンモニアは、化学製品の原料として使用される他、主に窒素肥料として利用されており、これは食料を大量に生産する上で必要不可欠である。
(注2)律速段階
多段階の反応において最も反応が遅い段階で、反応全体が進行する速度を決定する素反応。
(注3)ハーバー・ボッシュ法
約100年前に開発された、窒素ガスと水素ガスから鉄系の触媒を用いてアンモニアを合成する方法。現在でも工業的に広く用いられている。開発者のフリッツ・ハーバーとカール・ボッシュ(両者共にノーベル化学賞受賞)にちなんでハーバー・ボッシュ法と呼ばれている。合成されたアンモニアが主に窒素肥料として用いられることから、「空気からパンを作る」方法と呼ばれる。

詳細

詳細はプレスリリースをご参照ください。

延世大学と博士課程(歯学府)でのダブルディグリー・プログラム協定を締結

令和5年度第2回I²CNER Webinar

関連記事

  1. 安達千波矢主幹教授「2022年(第92回)服部報…

    〜安達千波矢主幹教授「2022年(第92回)服部報公会報公賞」受賞!〜…

  2. 【1/29~2/2開催】九州大学エネルギーウィー…

    ~エネルギー分野の英知が垣根を越えて結集:GXに向けた未来エネルギー技術予測…

  3. 工学研究院の安達千波矢主幹教授・馬奈木俊介主幹教…

    〜工学研究院の安達千波矢主幹教授と馬奈木俊介主幹教授、生体防御医学研究所の増…

  4. 逃避する動物が見せる目立つ行動、その性差を生じる…

    逃避する動物が見せる目立つ行動、その性差を生じる要因とは? チータ…

  5. 拡大反射・縮小反射・散乱鏡を自在に切り替える鏡の…

    〜 プリントライクな光学計測デバイス製造技術の実現へ向けて 〜 本学…

  6. 「富岳」で高速電波バーストの再現に成功

    ~ 宇宙最大の電波爆発の起源に迫る ~概要 京都大学基礎物理…

  7. 家畜の暑熱ストレス耐性と腸内環境

    -環境保全型畜産管理に貢献する好熱菌の機能性評価-農学研究院髙橋 秀…

  8. 工学研究院の安達千波矢教授がThe Societ…

    ~工学研究院・安達千波矢主幹教授は、The Society for Inf…