爲遏制全球暖化和空氣污染，需要開發出能自由吸附二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx），或者將其轉化爲其他物質的材料。強有力的候選材料之一是「沸石」。沸石由硅、鋁和氧組成，一直被用作吸附劑和觸媒。研究人員目前正在加速改善沸石的性能，除作爲無需更換的長壽命觸媒外，還打算在2050年前後與生質燃料組合使用以及用於儲氫等用途。
沸石上有很多直徑約爲1奈米（奈米爲10億分之1米）的小孔，可用於吸附二氧化碳、碳化氫和氮氧化物等多種氣體，或者用於將這些氣體轉化成其他物質。沸石除了從天然礦物質中提取外，還確立了人工合成法，並從1950年代前後開始用於工業領域。
沸石（左）及其結晶構造模式（供圖：東京大學）
沸石目前被廣泛使用的用途之一是作爲從公車和卡車的柴油引擎尾氣中去除氮氧化物的觸媒。利用大量微孔擷取尾氣中的氮氧化物並將其轉化爲氮氣。東京大學的脅原徹教授等人組成的研究團隊最近開發出了新技術提高了耐久性，而這正是在該用途中沸石存在的缺點。
要想提高沸石的耐久性，最適化材料中的硅和鋁的含量比例非常重要。常用的方法是，製作出富含鋁且成分容易合成的沸石後，利用硫酸等去除部分鋁，調整成分。不過，爲了提高用於柴油引擎的沸石的催化性能，將微孔直徑設計爲小於1奈米的尺寸等，鋁就會無法透過微孔，從而使得材料遭到破壞。
爲此，研究團隊開發出了在孔中添加有機物質分子的狀態下去除鋁的新方法。在這種方法中，有機物質分子作爲孔的「支撐器」而發揮作用，這樣即使從材料骨架中去除鋁，沸石的整體結構也不容易被破壞。此時在去除鋁的位置補充硅，就可開墾晶體缺陷，從而提高了沸石的耐久性。
利用上述新方法開發的沸石在800℃的水氣中暴露7小時後，仍然以接近100％的轉化效率將一氧化氮轉化成了氮氣。而常規成分的沸石用800℃的溫度處理後，轉化效率回降至40％以下。柴油引擎的尾氣溫度有時達到400～500℃，新開發的沸石在超過實際環境的溫度下也表現出了高耐久性。
目前的柴油引擎用沸石在卡車的使用壽命（行駛100萬公里）中大約需要更換兩次。而新開發的方法有望實施壽命更長、無需更換的觸媒。
課題在於如何降低成本。沸石的製造成本約爲每公斤5000～6000日元，預計目前新技術的成本會高出2000～3000日元。今後將研究降低成本的對策，同時還打算將其應用於二氧化碳和畜牧業排放的氨的回收，計劃2028年前後投入使用。
確定性能和成本至關重要
| 沸石的研發歷史與未來展望 | |
| 1950年代 | 人工合成和工業用途的研究興起 |
| 1960年代 | 開始用於從重油中提取汽油的觸媒等 |
| 2000年代 | 開始作爲淨化連串裝置汽車尾氣的觸媒使用 |
| 2020年代 | 確立可以自由控制成分和特性的技術 |
| 2030~2040年前後 | 用途擴大至使用生質燃料的引擎和氫儲存等 |
| 2050年前後 | 作爲支撐資源循環型社會的基礎材料而普及 |
全球環境對策大多將重點放在二氧化碳減排上。但另一方面，還必須對造成各種環境污染的氮衍生物質採取對策。
氨和硝酸溶於水後會造成水質惡化，工廠排放的廢氣和汽車尾氣中所含的氮氧化物會污染空氣。淨化連串裝置氮氧化物的反應在不完全反應時間產生的一氧化二氮（N2O）是一種溫室氣體，這些氮氧化物會間接造成全球暖化。
不過，氮對包括人類在内的生物來說也是不可或缺的元素。人類在20世紀初發明了利用空氣中的氮氣合成氨的方法。目前全球每年約生產2億噸氨以用於化肥等。氨作爲新一代燃料也備受關注，隨着用途的擴大，減輕其對環境的影響的技術變得越來越重要。
隨着去碳和氮化合物對策行動的加速，全球開始積極開發能吸附並回收二氧化碳和氮氧化物的材料。除沸石外，有大量微孔的金屬有機框架材料（MOF）等也比較有潛力。
這些材料在儲存氫等新一代燃料的用途也備受期待。今後將會根據使用環境、所需性能和成本等進行開發和使用。
原文：北川舞、《日經產業新聞》，2022/7/22
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
