高効率マンガン系アンモニア合成触媒を開発(Scientists Develop Efficient Mn-based Catalyst for Ammonia Synthesis)

2026-05-29 中国科学院(CAS)

中国科学院(CAS)大連化学物理研究所の陳平教授らは、三元水素化物LiBaH₃に単原子分散したマンガン(Mn)を担持した新しいアンモニア合成触媒「LiBaH₃–Mn₁」を開発した。従来の遷移金属触媒では、窒素吸着と水素化反応の間に存在する線形スケーリング則が性能向上の障害となっていた。特にMnのような初期遷移金属は窒素と強く結合しすぎるため、高活性触媒の実現が困難だった。本研究では、Mnサイト上で窒素分子(N₂)を活性化し、水素化物中のヒドリドイオン(H⁻)が還元的プロトン化を介して*N₂H中間体を形成することで、従来とは異なる機構でN–N結合を切断することに成功した。このヒドリド支援型窒素解離機構により、Mn–N結合の過度な安定化を回避できる。結果として、触媒活性はマンガン窒化物の約100倍に達し、400℃では代表的触媒Cs-Ru/MgOの2.5倍のアンモニア生成速度を示した。これは4~7族遷移金属触媒として最高水準の性能であり、高活性な初期遷移金属触媒設計への新たな指針を示した。

<関連情報>

A原子レベルで分散したMnとLiBaH3がMgO上で相乗効果を発揮し、 H−アシストN2解離機構を介して効率的なアンモニア合成を可能にする tomically Dispersed Mn Synergized With LiBaH3 on MgO Enables Efficient Ammonia Synthesis via an H− Assisted N2 Dissociation Mechanism

Yanbo Deng, Yaoqi Huang, Yongcheng Jin, Yawei Wang, Runze Wang, Sheng Feng, Yongli Cai, Yeqin Guan, Qianru Wang, Xilun Zhang, Fei Chang, Shaojun Yuan, Wenbo Gao, Jianping Guo, Ping Chen
Angewandte Chemie International Edition  Published: 15 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.6169961

Graphical Abstract

Atomically dispersed Mn (Mn1) anchored on LiBaH3 enables efficient ammonia synthesis via an H-assisted N2 dissociation pathway. Mn1 provides the active site for N2 adsorption, while hydride ions from LiBaH3 promote reductive protonation to form *N2H. This synergistic mechanism yields state-of-the-art performance among group 4–7 transition-metal catalysts.

高効率マンガン系アンモニア合成触媒を開発(Scientists Develop Efficient Mn-based Catalyst for Ammonia Synthesis)

ABSTRACT

Ammonia is an essential chemical feedstock and a promising hydrogen energy carrier, motivating the development of efficient ammonia synthesis catalysts. However, scaling relations fundamentally limit conventional transition metal-based catalysts, rendering strongly N2-binding metals such as Mn ineffective due to sluggish hydrogenation. Herein, we demonstrate that atomically dispersed Mn (Mn1) anchored on the ternary hydride LiBaH3 (LiBaH3─Mn1) enables efficient ammonia synthesis via an H ion-assisted N2 dissociation mechanism. The MgO supported LiBaH3─Mn1 catalyst (LiBaH3─Mn1/MgO) exhibits an ammonia synthesis rate two orders of magnitude higher than that of manganese nitride and exceeds the benchmark Cs─Ru/MgO catalyst by a factor of 2.5 at 400°C, representing a state-of-the-art performance among group 4–7 transition metal–based catalysts. Mechanistic investigations reveal that Mn1 serves as the active site for N2 adsorption, while H ions from LiBaH3 further activate the adsorbed *N2 through a reductive protonation process to form *N2H intermediates. Subsequent N─N bond cleavage of *N2H yields surface nitride (Mn─N) and imide (*NH) species on the LiBaH3─Mn1 surface. This H ion-assisted N2 dissociation pathway fundamentally overcomes the intrinsic limitations of bulk Mn, transforming it into an efficient metal for ammonia synthesis.

0502有機化学製品
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