再生可能エネルギー利用型のアンモニア合成プロセスに適した触媒を開発

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平成30年1月29日

大分大学 科学技術振興機構(JST)

~高温還元処理で発現する複合酸化物担体と金属の特異的な協働作用~

ポイント

  • アンモニアは再生可能エネルギーのエネルギーキャリアとして注目されているが、これまで高温、高圧プロセスで合成されており、再生可能エネルギーの供給に応じ、利活用したい時間・場所に対応して適切に合成できるよう、より温和な条件での反応を可能とする触媒開発が期待されていた。
  • 本研究開発において、温和な条件で、酸化物担持型触媒としては最高レベルのアンモニア合成性能を示す触媒の開発に成功した。
  • 精緻な高温還元処理により、活性点となる金属ナノ粒子の一部が、還元された担体に覆われた特殊な構造を持つことが、従来よりも温和な条件でのアンモニア合成能につながっていることを明らかにした。
  • 再生可能エネルギーの供給に合わせ、必要なときにアンモニアを合成できる小型アンモニア生産プロセスの実現が期待できる。

大分大学 理工学部の小倉 優太 博士研究員、佐藤 勝俊 客員研究員(京都大学 触媒・電池元素戦略研究拠点 特定助教)、永岡 勝俊 准教授らの研究グループは、再生可能エネルギー利用に適した温和な条件で、非常に高いアンモニア合成活性を示す新規触媒として、ランタンとセリウムの複合希土類酸化物を還元した担体に、ルテニウムを担持した酸化物担持型触媒注1)(Ru/La0.5Ce0.5O1.75-x)を開発しました。

アンモニアは化学肥料の原料として重要な化学物質であり、近年は再生可能エネルギーの貯蔵・輸送を担うエネルギーキャリア注2)としても注目されています。従来の鉄触媒を用いたアンモニア合成プロセスは大型のプロセスであり、非常に高い圧力と温度下で反応が行われています。これに対して再生可能エネルギーを利用した小型の分散型プロセスではオンデマンドでアンモニアを製造する必要があり、温和で利便性に富む条件(325-400ºC、10-100気圧)でアンモニアを得ることができる高性能な触媒の開発が求められてきました。

研究グループでは、再生可能エネルギー利用に適した条件で、生成速度換算で従来型酸化物担持ルテニウム触媒の約2倍という、非常に高いアンモニア合成活性を示し、高効率でアンモニアを得ることができるRu/La0.5Ce0.5O1.75-x(図1)を開発することに成功しました。また、①ルテニウムが2nm以下のナノ粒子として担持されていること、②還元された担体がルテニウムナノ粒子の一部を覆っていること、という2つの特徴が相乗的に作用することで、高いアンモニア合成活性が実現されていることを明らかにしました。

開発した触媒は簡単に大気中で調製でき、取り扱いも容易なため、再生可能エネルギー利用アンモニア生産プロセスの実現が望まれています。また、今回の触媒設計を応用することで、さらに高活性なアンモニア合成触媒が創製できると期待できます。

本研究成果は、英国王立化学会(The Royal Society of Chemistry)のフラッグシップジャーナル「Chemical Science」のオンライン版にて2018年1月29日9時(日本時間1月29日18時)に公開されます。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造推進事業 チーム型研究(CREST)「再生可能エネルギーの輸送・貯蔵・利用に向けた革新的エネルギーキャリア利用基盤技術の創出」(研究総括:江口 浩一 京都大学 大学院工学研究科 教授)の研究課題「エネルギーキャリアとしてのアンモニアを合成・分解するための特殊反応場の構築に関する基盤技術の創成」(研究代表者:永岡 勝俊 大分大学 理工学部 准教授)の一環で実施されました。

<研究の背景>

アンモニアは化学肥料の原料として重要な化学物質であり、世界の食糧生産の根幹を担っています。またアンモニアは近年、再生可能エネルギーの貯蔵・輸送を担う、水素・エネルギーキャリアとしても注目されています。

従来の工業プロセスでは、鉄を主成分とする触媒を用い、非常に高い温度と圧力下(>450ºC、>200気圧)でアンモニア合成が行われてきました。これに対して再生可能エネルギーを利用した小型の分散型プロセスでは、再生可能エネルギーの供給状況に合わせてアンモニアを製造する必要があるため、利便性に富む温和な条件(325-400ºC、10-100気圧)でアンモニアを効率的に得ることができる高性能な触媒の開発が求められてきました。さらに、簡単に調製でき、安定で、取り扱いも容易な触媒であることも重要な触媒の要素でした。

<研究の内容>

研究グループでは、これまでに希土類注3)の酸化物にルテニウム注4)を担持した触媒に注目した開発を進めてきました。そして、希土類の一種であるランタン-セリウムの複合酸化物にルテニウムを担持し、これを従来知られていた最適値(500ºC以下)よりも高い温度(650ºC)で処理することによって、Ru/La0.5Ce0.5O1.75-x(図1)を開発しました。開発した触媒は生成速度換算で従来型酸化物担持ルテニウム触媒の2倍以上という、非常に高いアンモニア合成活性を示し、高効率でアンモニアを得ることができます(図2)。また開発した触媒は従来型ルテニウム触媒で問題となっていた水素による被毒の影響を受けにくく、10気圧程度の高圧雰囲気にすることでアンモニア合成速度が飛躍的に向上することを見いだしました(図3)。

さらに、収差補正走査透過電子顕微鏡注5)を用いた高分解能観察とスペクトル測定を中心に、Ru/La0.5Ce0.5O1.75-xの解析を行った結果、開発した触媒は主に以下の2つの作用によって高いアンモニア合成活性を示すことが明らかとなりました。

① ルテニウムが2nm以下の微小なナノ粒子として担持されていること。

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