日本理化學研究所環境資源科學研究中心上口賢專任研究員、侯召民研究組總監、東京大學研究生院工學系研究科中山哲教授、北海道大學催化科學研究所清水研一教授等人組成的研究團隊發表研究成果稱，成功研發出了一種讓由6個左右原子組成的金屬團簇附着於無數孔（微孔）中構成的觸媒，使用這種觸媒在低溫條件下實施了將大氣中的氮分子（N₂）連續合成氨（NH₃）的技術突破。這種觸媒爲在溫和條件下合成燃燒時不排放二氧化碳（CO₂）的氨燃料提供了可能性，從而有望對實施節能和去碳社會等目標作出貢獻。相關成果已發表在科學雜誌《Chemical Science》2024年1月22日的網路版上。
圖1 氨合成的概念圖（供圖：理化學研究所）
氨（NH₃）被大量用作肥料和含氮化學產品的原料，同時作爲一種不排放二氧化碳（CO₂）的燃料也備受關注。
此外，氨通常是透過哈柏-博世（Haber-Bosch）法，採用鐵（Fe）作爲固體觸媒透過氮分子（N₂）和氫分子（H₂）合成的，但這種合成方法需要高壓高溫條件。
在本研究中，研究人員將鉬（Mo）金屬團簇的鹵素配位化合物附着於帶有微孔的多孔載體上，並透過在1個大氣壓力的全氫保存（hydrogen atmosphere）條件下進行加熱處理，透過這種簡便方法，去除了所有鹵素配位體，獲得了大小在1奈米以下的金屬團簇觸媒。這種觸媒透過多個Mo原子互利共生，能夠高效地切斷穩定的N₂，從而在溫和條件下持續合成氨。研究人員透過利用微孔結構，成功抑制了降低反應效率的Mo團簇的聚集，從而使Mo原子高效地參與反應。
圖2 合成氨的詳細流程
將鹵素配位的、由6個Mo原子組成的團簇（a），附着於具有與團簇相近大小的1nm以下微孔的多孔載體（d），經過在流動的全氫保存（hydrogen flow atmosphere）條件下進行600℃的加熱處理後，即便鹵素配位體全部去除，由6個原子組成的Mo團簇仍基本保持平均數量被吸附在微孔中（e）（供圖：理化學研究所）
當向附着了Mo團簇的沸石注入N₂和H₂的氣體混合物並促使其發生反應，在10大氣壓力下，溫度爲400℃時，氨的穩定生成時間約爲260小時，而在50大氣壓力下，即使在溫度較低的200℃時，氨也能以恆定的速度生成約520小時。
本次研發的觸媒未使用特殊成分即可在相對較低的溫度下高效且持續地切斷N₂，操作更加安全。
哈柏-博世（Haber-Bosch）法的Fe觸媒在氮―氮三鍵的切斷程序中所需的能量較多。而相比之下，Mo的這種切割能力較強，而且從理論計算來看，Mo原子透過互利共生可以實施高效切斷。
本次研究成果成功製造了超微尺寸的金屬團簇，有望爲奈米材料領域的研究和應用等做出貢獻。
上口專任研究員表示：「本研究利用此前不常作爲觸媒的物質設計出了新的觸媒，並實施了高附加值的氨合成，這是一項重要的學術成就。儘管合成效率仍有提升空間，但我們希望未來透過觸媒的改良，能夠進一步提高觸媒的活性並使反應條件溫和化，以期將來實施與不排放CO₂的再生能源制氫系統相融合的實用程序。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Chemical Science
論文：Catalytic ammonia synthesis on HY zeolite-supported angstrom-size molybdenum cluster
DOI：10.1039/D3SC05447K
