分子状窒素イオンが拓く低温アンモニア合成 -新たなアンモニア合成メカニズムを解明-

2026-10-29 東京科学大学

東京科学大学の研究チームは、分子状窒素イオンを利用して、比較的低温・低圧でアンモニアを合成できる新しい触媒材料を開発した。研究チームは、酸化物イオン、窒化物イオン、水素化物イオンなど複数種類の陰イオンを結晶内に共存させた、新物質の逆ペロブスカイト型酸窒素水素化物 Ba₃AlO₄₋ₓNᵧH を合成した。この材料をアルミナナノロッド表面に形成し、コバルトを担持した触媒は、300℃、9気圧で高いアンモニア合成活性を示し、100℃でもアンモニア生成が確認された。高活性の鍵は、結晶内に取り込まれた分子状窒素イオン(N₂⁻)にある。このイオンは通常の窒素分子より結合が弱く、窒素分子の活性化と解離を促進する。さらに、コバルト、バリウム、アルミニウムが協働して反応を進める新たな機構も明らかになった。本成果は、従来のハーバー・ボッシュ法より温和な条件でアンモニアを製造する触媒の設計指針を示し、製造時のエネルギー消費削減や、再生可能エネルギー由来の水素を用いた分散型アンモニア製造への応用が期待される。

分子状窒素イオンが拓く低温アンモニア合成 -新たなアンモニア合成メカニズムを解明-
本研究の概要図

<関連情報>

階層構造を有するアンチペロブスカイト型オキシナイトライド-ハイドリドによる、(N2) −イオン を介した協同機構によるアンモニア合成 Hierarchically Structured Anti-Perovskite Oxynitride-Hydride Enabling Ammonia Synthesis via a Cooperative Mechanism Mediated by (N2)− Ions

Yihao Jiang; Chenyang Zhu; Jiang Li; Shun Sato; Masato Sasase; Shinya Masuda; Hideo Hosono; Masaaki Kitano
Journal of the American Chemical Society  Published: October 28, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c06380

Abstract

Ba3AlO4-xNyHz with an antiperovskite structure is employed as a support for transition-metal catalysts for ammonia synthesis. This metastable material is synthesized by employing multiple anions with different valences and ionic radii. The optimized non-noble metal catalyst, Co(5.8 wt %)/Ba3AlO4-xNyHz/Al2O3, exhibits an exceptional ammonia synthesis rate of 15.9 mmol g–1 h–1 at 0.9 MPa and 300 °C, outperforming benchmark Cs–Ru/MgO, industrial Fe catalyst, and recently reported non-noble metal catalysts. Structural analyses show that Ba3AlO4-xNyHz and Co species self-organize on γ-Al2O3 nanorods to form a hierarchically structured catalyst. Combined experimental and density functional theory analyses reveal that the high activity originates from incorporated (N2)− ions at Co–Ba–Al interfacial sites, where the combination of Ba and Al plays distinct roles in N2 activation and NHx formation, respectively. These findings not only provide a strategy for stabilizing metastable crystal structures through the incorporation of diverse anionic species but also demonstrate a unique cooperative mechanism for efficient ammonia synthesis mediated by highly activated molecular (N2)− ions.

0500化学一般
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