電場を利用する効率的なアンモニア合成

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スポットライトリサーチ

電場を利用する効率的なアンモニア合成

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第107回のスポットライトリサーチ。今回は早稲田大学理工学術院先進理工学部応用化学科関根研究室の一貫性博士課程5年・真鍋亮さんにインタビューを行いました。

関根研究室では、エネルギー・資源・環境問題の解決に向け、オリジナル触媒の開発、及びそれを利用した反応開発に取り組んでいます。具体的な反応としては、水素・合成ガス製造、炭化水素転換を目指しています。

今回、真鍋さんは電場を用いたアンモニア合成の効率的な手法を見出し、その研究成果をChemical Science誌に報告しました。また、本研究成果はプレスリリースとしても取り上げられていましたので、今回スポットライトリサーチとして取り上げさせていただきました。

Electrocatalytic synthesis of ammonia by surface proton hopping

R. Manabe, H. Nakatsubo, A. Gondo, K. Murakami, S. Ogo, H. Tsuneki, M. Ikeda, A. Ishikawa, H. Nakai, Y. Sekine

Chem. Sci. 2017, Advance Article. DOI: 10.1039/C7SC00840F

筆頭著者の真鍋さんについて、関根先生からコメントをいただきました。

真鍋くんは、電場中での不均一触媒のin-situ/operando測定という難しい手法をゼロから開発し確立してくれました。この手法を活かして、これまでに報告のない表面プロトニクスによる触媒反応の促進効果を発見し、その応用を示してくれました。これは彼の情熱と努力の賜物と思います。

それでは、研究成果をご覧ください！

Q1. 今回の受賞対象となったのはどんな研究ですか？簡単にご説明ください。

Ruを半導体酸化物(SrZrO3)へ担持した触媒に電場を印加すると、200℃程度の低温でもアンモニア合成が進行することを見出し、電場印加中のアンモニア合成反応のメカニズムを実験と計算の両面から明らかにしました。また本系を9気圧程度に加圧すると、低温で世界最高レベルのアンモニア合成活性を実現する新規高効率な触媒プロセスであることを発表しました。従来の熱触媒プロセスでは原料の窒素を触媒表面で解離するステップが大きな障壁となり、高温（500℃）・高圧（200気圧）を要するアンモニア合成反応ですが、電場を印加すると触媒表面でプロトン伝導が発現し、中間体N2H+を与える新たなメカニズムを介して窒素解離が低温で促進されている（下図）ことを報告しました。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

私は学部4年生の時から、電場印加中でメタン水蒸気改質を低温にて進行させる研究を行ってきました。メタン水蒸気改質は原料にメタンと水(CH₄+H₂O)を含み、検討を進めていくうちに、電場印加に伴って水を介したプロトン伝導が発現し、反応を促進することが分かりました。今回の検討はアンモニア合成反応であり、水の存在しないドライな条件(N₂+H₂)においても同様にプロトン伝導が発現し、反応を促進することを見出せました。水の有無に関わらず触媒層へ電場を印加することでプロトン伝導を発現させることができ、それが不均一触媒反応を促進しうるという現象に思い入れがあり、これを活かすことで自身の研究に厚みと広がりが出ました。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか？またそれをどのように乗り越えましたか？

電場を印加した触媒反応のメカニズムを解明するために、電場印加中の触媒キャラクタリゼーションの実施、すなわちin-situ測定が不可欠でした。しかしながら当時電場中でin-situ測定が可能な実験手法は極めて少なく、新たな試みが必要でした。そのような中で、関根教授にアドバイスをいただきながら、触媒表面を観測できるIR分光測定をin-situで実施するためのセル作製を行いました。セルの材質としてどのようなものが適当か、時には他研究室に訪問して教えていただきながら、またセルの作製業者の方と何度も連絡を取って最適なセルの形状を確認しながら開発を進めました。セル開発を進めてからスペクトルが再現良く測定可能になるまで半年弱を要しましたが、in-situ IR測定を初めて成功した時には達成感でいっぱいでした。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか？

In-situ IR測定の方法論を確立していった経験から、今現在出来ないことでも、出来るように自分で変えていけばいいんだ！ということを学びました。このように現状に甘んじず、必要なこと・やりたい事を実施するために挑戦する行動力を発揮して、今後も化学という広い学問の中で新たな発見が出来ればと思っています。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

本研究は関根研のアンモニア合成を検討するチームに加え、理論計算や加圧系の検討といった多方面の専門分野の方々との頻繁な議論を経て、大きな成果としてまとめることが出来ました。そのような中で、自身の核となる専門や得意領域を持つことで、一つの成果に貢献できることが分かりました。ですので、何か一つ自身の中で極め、武器にできると世界が広がっていくように思っています。

最後になりますが、日々指導をしていただいております関根教授、小河助教、理論計算を実施していただいた早稲田大学中井研究室の皆様、加圧系の検討をしていただいた日本触媒常木チームの皆様、関根研アンモニア合成班の皆様へ、この場をお借りして厚く御礼申し上げます。