硝酸イオンからアンモニアを80%の選択率で合成~微粒子触媒における活性サイトの1原子精度制御によって達成~

2025-12-11 東北大学

東北大学多元物質科学研究所の研究グループは、金属ナノクラスター触媒の活性点を原子1個の精度で制御することで、硝酸イオンからアンモニアを約80%という高い選択率で合成することに成功した。ほぼ同一構造のCu₁₄ナノクラスターにおいて、配位子のみを変えることで単一の露出Cuサイトを形成し、このサイトが電気化学的硝酸イオン還元反応において高い活性と選択性を示すことを明らかにした。理論計算から、露出Cuサイトは硝酸イオン中間体が接近・吸着しやすい電子状態を持つことが示され、高効率反応の要因が解明された。本成果は、環境調和型アンモニア合成や高性能触媒設計への指針を与えるもので、学術誌「ACS Catalysis」に掲載された。

硝酸イオンからアンモニアを80%の選択率で合成~微粒子触媒における活性サイトの1原子精度制御によって達成~図1. 電気化学的硝酸イオン還元反応(eNO3RR)の反応スキーム。水を電子源およびプロトン源として、工業・農業排水中の硝酸イオンを窒素源として、再生可能エネルギー由来の電力によって、常温・常圧の穏やかな条件下で、基礎化学品であるアンモニアを合成することが可能となる。

<関連情報>

高選択的電気触媒硝酸塩還元のためのCu 14ナノクラスター上の活性金属部位の露出 Exposure of Active Metal Sites on Cu14 Nanoclusters for Highly Selective Electrocatalytic Nitrate Reduction

Shiho Tomihari,Maho Kamiyama,Harpriya Minhas,Tokuhisa Kawawaki,Kana Takemae,Yamato Shingyouchi,Ziyi Chen,Biswarup Pathak,and Yuichi Negishi
ACS Catalysis  Published December 9, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.5c04431

Abstract

Atomically precise metal nanoclusters (NCs) have been extensively used as catalysts for various reactions owing to the ultimate controllability of their parameters, such as number of constituent atoms, crystal structure, and alloying characteristics. However, for many metal NCs, their surfaces are entirely covered by ligands, preventing the exposure of surface metal atoms that serve as active sites and thus hindering their catalytic functionality. Herein, we report that the exposure of metal sites in Cu14 NC can be achieved by a facile modification of the thiolate ligands. Consequently, we found that Cu14 NC with an exposed Cu site exhibits significantly higher ammonia selectivity and production rate in electrochemical nitrate reduction. These findings underscore the importance of atomically precise control for metal NCs, not only of their overall geometric structures but also of their reactive sites, for achieving highly selective and active catalysts, contributing to the future design of diverse metal NC catalysts.

0500化学一般
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