京都大學的北川宏教授等人正在探索將五種以上的金屬元素均勻混合製成的多元素合金應用於觸媒。在全球去碳的趨勢下，要高效地合成備受關注的氫氣，或者將溫室氣體二氧化碳（CO2）和甲烷轉化爲有用資源，高性能觸媒不可或缺。多元素觸媒的開發將推動實施日本政府立下的2050年碳中和目標。
目前已開發出每年能試製一萬種合金的高速實驗裝置（供圖：京都大學北川宏教授）
此次的研究物件是「高熵合金」。這種合金比現有材料便宜，預計可以實施更高性能的觸媒。
目前，促進化學反應的觸媒材料大多使用每克價值數千至數萬日元的貴金屬。例如，用於水制氫設備的催化的主要材料「銥」，價格就比黃金高出數倍。這也是制氫成本居高不下的主要原因。
雖然需要尋找替代材料，但即使使用廉價材料製作出觸媒，也存在性能下降的問題。爲此，研究人員關注到了高熵合金，最終獲得了顛覆以往常識的成果。
北川教授介紹說，「我們發現，將（作爲觸媒的）性能較差的金屬和性能較好的金屬混合後，其性能會大幅提升」。
研究人員在能提高氫氣製造效率的銥等鉑族合金中摻雜銀、金等催化性能較差的元素，結果發現其催化性能比單獨使用鉑族合金提高了約4倍。由於減量了昂貴的鉑族元素的比例，同時又提高了性能，因此這種混合金屬有望成爲觸媒領域的「遊戲規則改變者」。
高熵合金的概念自2004年被提出來以來，就因爲它可以根據元素的組合表現出獨特的特性而受到研究者們的關注。
北川教授着眼於觸媒的應用，正在環境省的研究開發事業中與企業和其他大學合作推動實用化。研究人員着眼於去碳方面的應用，其中一個值得關注的物件是稻草。將稻草埋進水田會成爲肥料，但稻草發酵後會向大氣中釋放温室效應比二氧化碳（CO2）高約25倍的甲烷。
回收稻草，並透過催化反應將其轉化爲丙烷等生物沼氣。有利於減量溫室氣體的排放，以及實施地區的資源循環。參與該專案的久保田公司正在探討在秋田縣大潟村進行驗證實驗。
研究人員還計劃減量用於汽車尾氣淨化連串裝置觸媒的「銠」的用量。銠每克價格高達3萬日元。北川教授的研究團隊正在與汽車製造商等合作研發，目標是將銠的用量減量到「五分之一」。原料的成本尚未公開，但「已經開發出由5種元素左右構成的材料」（北川教授），預計到2030年可以實施實用化。
高熵合金按照組合方式的不同，種類能達數百萬、數千萬之多。然而並不是所有合金都具有優異的催化性能。其中還有像「水和油」一樣難以混合到一起的元素。
北川教授開發了一種能以每年約1萬種的極高速度製造合金的裝置，正在利用機器學習來高效地探索材料。最初是隨機試製合金，但隨着讓機器學習多種試製品的性能，材料的設計指南變得清晰起來。現在，發現優秀新材料的例子也越來越多。
在蓄電池研究方面取得了成果
將多種元素混合製成新材料的開發史可以追溯到公元前3000年左右。最初，人們在銅中摻雜錫使其變硬，製成了青銅，開始用於武器和生活用具。之後，在鐵中摻雜微量的碳製成了鋼，在工業界普及開來。長期以來，多元素化的主要目的是改變金屬的物理性質。
近年來，其應用領域不斷擴大，改變金屬的電化學性質，或導入金屬以外的氧化物或陶瓷中的事例也在不斷增加。
新一代鋰離子電池「全固態電池」的第一人、東京工業大學的菅野了次特命教授等人組成的研究團隊最近在美國科學雜誌《Science》上發表了一種材料。透過將全固態電池的核心材料多元素化，提高了其性能。觸媒和蓄電池都對實施碳中和至關重要。多元素將成爲面向2050年研發的一個關鍵詞。
日文：土屋丈太、《日經產業新聞》、2023/7/21
中文：JST客觀日本編輯部
