表面に浮いた電子が窒素を活性化するアンモニア合成触媒ー高活性と安定性を両立する表面エレクトレンが高活性を発揮ー

2026-07-07 東京科学大学

東京科学大学(Science Tokyo)の研究グループは、結晶表面にアニオン電子が高密度で存在する新しい電子材料「表面エレクトレン」を創製し、これを高性能アンモニア合成触媒へ応用することに成功した。BaSiN₂結晶の表面近傍で窒素の一部を酸素に置換して電子をドープすることで、仕事関数1.5 eVという極めて高い電子供与能を持つ表面電子層を形成した。この電子層は窒素分子を電子移動により窒素分子イオンとして化学吸着し、表面を保護するため大気中でも安定に取り扱える。一方、水素を導入すると吸着窒素はアンモニアとして脱離し、表面電子層が再生する可逆的な反応が実現した。この材料にルテニウムを担持すると、300℃・9気圧という温和な条件下で世界最高水準のアンモニア生成活性を示し、高活性と化学的安定性を両立した。従来のエレクトレンは化学的に不安定で実用化が困難だったが、本研究はバルク結晶表面で安定なエレクトレンを形成する新手法を確立し、グリーンアンモニア合成や水素キャリア製造、オンサイト型アンモニア製造技術への応用に加え、他の触媒反応への展開も期待される。

表面に浮いた電子が窒素を活性化するアンモニア合成触媒ー高活性と安定性を両立する表面エレクトレンが高活性を発揮ー
図1. (a)層間に電子が存在する2次元エレクトライドから剥離する方法 (b)今回実現したBaSiN2結晶への電子ドープにより生成した表面エレクトレン

<関連情報>

空気中で安定な表面エレクトレンの作製とそのアンモニア合成への応用 Creation of an air-stable surface electrene and its application to ammonia synthesis

Zhujun Zhang,Shiyao Wang,Jiang Li,Masato Sasase,Masaaki Kitano & Hideo Hosono
Nature Communications  Published:23 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74820-4  Unedited version

Abstract

Electrenes are unique materials characterized by a surface floating electron layer, which results in an ultra-low work function, making them ideal candidates for catalyzing chemical reactions via electron donation. However, these materials are extremely sensitive to air and moisture, thereby limiting their potential applications. Here, we demonstrate that oxygen-doped BaSiN2 is an air-stable surface electrene. Its highly active surface, with an ultra-low WF of approximately 1.5 eV, can donate surface floating electrons to adsorbed N2, forming an N2-passivated surface, which can be constantly regenerated through hydrogenation of surface-activated N2. This alternating pathway, particularly with the assistance of Ru loading, effectively produce ammonia: the Ru/BaSiN2:O catalyst exhibits high ammonia synthesis rate of 43 mmol gcat−1 h−1 at 300 °C and 0.9 MPa, and much superior air stability compared to the most active electrides and hydrides-based heterogeneous catalysts reported to date. This discovery opens a new way for electrene-driven heterogeneous catalysis.

0505化学装置及び設備
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました