利用大學和研究機構的研究成果來創辦初創企業的事例越來越多。這些初創企業致力於通過突破性的尖端技術打破傳統壁壘，開發革新性產品，為社會做出貢獻。
隨著全球人口成長引發的糧食危機及地球變暖問題的日益嚴峻，作為提高農作物產量的氮肥原料以及下一代零碳燃料的氨備受矚目。目前主流的哈柏-波希法（Haber-Bosch Process，HB法）合成氨工藝必須在高溫高壓條件下進行，需要消耗大量的能源以及大型反應設備。東京科學大學孵化的初創企業——Tsubame BHB公司（總部：橫濱市）利用該校元素戰略MDX研究中心細野秀雄榮譽教授開發的突破性催化技術，成功實現了低溫低氣壓條件下生產氨的緊湊型裝置，目前已收到來自國內外的商務諮詢。
中村 公治
Tsubame BHB株式會社 代表董事CEO
細野 秀雄
東京科學大學 綜合研究院 元素戰略MDX研究中心
榮譽教授/特聘教授
2021年起擔任「未來社會創造事業」研發負責人
注：
未來社會創造事業：設定具有重大經濟社會影響力的目標，推動從基礎研究階段到可判斷實用化可行性階段（概念驗證：POC）的研發工作。
課題名稱：用於綠色氨、尿素與其衍生物合成的特異電子系觸媒的開發
獲得諾貝爾化學獎的合成工藝裝置集中於資源大國與發達國家
在全球人口成長引發的糧食危機及二氧化碳（CO₂）排放導致氣候變暖的背景下，氨的重要性日益凸顯。目前工業製氨的主流工藝是1906年由德國科學家弗裏茨·哈柏（Fritz Haber）和卡爾·波希（Carl Bosch）開發的哈柏-波希法（HB法）（圖1）。該方法是以鐵為觸媒，在400～600攝氏度、200～400個大氣壓力的高溫高壓條件下，用氮氣（N₂）和氫氣（H₂）來合成氨。這種方法適合利用大型設備進行大規模生產。
圖1：HB法原理：在高溫高壓下，利用鐵觸媒將氮氣和氫氣合成氨。
在該技術出現之前，受限於單位面積農作物產量，人口成長與可收穫農作物總量失衡，人類始終面臨糧食短缺問題。HB法實現了化肥的大規模生產，促使農作物產量激增，成功支撐了20世紀以來的人口爆炸式增長。基於此成就，哈柏與波希分別於1918年和1931年榮獲諾貝爾化學獎。
然而，採用HB法建造的氨生產工廠大多集中在化石燃料資源國和發達國家，導致距離這些工廠較遠的地區面臨供應鏈延長和運輸成本增高的問題。此外，雖然原料氮氣可從空氣中低成本提取，但利用化石燃料製取氫氣時會排放大量CO₂，這也成為一個受詬病的問題。
面對上述問題，由中村公治CEO領導的Tsubame BHB公司，正致力於突破持續百年的HB法需要的高溫高壓反應壁壘，推動低溫低氣壓下工作的氨合成觸媒的實用化。該公司顛覆了傳統的集中大規模生產的固有思考模式，開發出只要有電、空氣和水，即可在任何地方部署工廠生產氨的靈活生產體系（圖2）。
| 傳統方法 (HB法) | Tsubame BHB法 | |
| 目標模式 | 大規模集中生產 追求規模效益 |
小規模分佈式 按需生產 |
| 單套裝置 年產能 |
20萬噸～120萬噸 | 500噸～5萬噸 (目標值) |
| 設備投資金額 | 數百億日元起 | 數億至數十億日元 (根據導入的國家/地區而變動) |
| 操作條件 | 200～400個大氣壓力 400～600℃ |
30～50個大氣壓力 300～400℃ |
圖2：傳統HB法與Tsubame BHB方法對比。Tsubame BHB公司已實現低溫低氣壓下工作的新型氨合成觸媒的實用化，並確立了年產數千至數萬噸級規模的生產眉目。其目標在於降低製氨成本，以較低的價格供應綠色燃料和肥料。
首次成功合成導電水泥
催化轉化頻率提高一個數規模
Tsubame BHB構想的源動力，來自東京科學大學的細野秀雄榮譽教授等人在新型材料「Electride」（電子化合物）研究領域取得的突破性進展。細野教授早在2003年，當時東京科學大學還是東京工業大學，就首次成功利用廉價的水泥材料，合成了在室溫和大氣環境下穩定的電子化合物，並隨後致力於其物性研究。普通水泥通常是不導電的絕緣體，但細野教授合成的電子化合物水泥卻是導電的。目前，該材料正被積極開發用作綠色氨合成的高性能觸媒。
電子化合物是指一類將化合物中的陰離子替換為電子（e⁻）的特殊材料。在晶體結構中使單個電子穩定存在是非常困難的。例如，用電子將氯化鈉（食鹽）中的氯離子（Cl⁻）替換為電子，其難度可想而知。然而，如果是籠狀晶體結構中含有陰離子，將陰離子替換為電子，並將這些電子限制在籠內，即可形成穩定的物質。
細野教授於全球首次實現了在包含鈣和鋁的化合物——12CaO·7Al₂O₃（C12A7）的晶體中禁錮電子從而形成穩定的電子化合物（圖3）。這種物質由石灰和氧化鋁構成，本質上就是水泥，這也正是它被稱為「導電水泥」的原因。細野教授等人進一步發現了該物質具有易於釋放電子，同時又具有熱力學和化學穩定性的獨特性質。這打破了「易於釋放電子的物質通常不穩定（如鹼金屬）」的傳統認知。於是，為了最大限度利用電子化合物的這一特性，研究人員開始嘗試將其應用於高性能觸媒和電子材料。
圖3：C12A7電子化合物的合成原理。通過還原反應，將C12A7籠狀晶體結構中鬆散束縛的氧離子替換為電子。
利用「電子化合物易於給出電子且不與氮形成穩定化合物」的性質，細野教授認為能夠在催化條件下輕鬆斷裂牢固的氮分子鍵。此後，團隊通過掃描隧道顯微鏡觀察C12A7電子化合物表面結構，找到了能使體相結構在表面保持穩定的條件。至此準備工作完成，研究團隊開始將其應用於氨合成觸媒。實驗結果顯示，與現有觸媒相比，使用該觸媒合成氨的反應活化能降低了一半，且催化轉換頻率提高了一個數規模。
聚焦拓撲絕緣體
為「量子物質」實用觸媒開闢道路
細野教授迄今為止已開發出了多種電子化合物，其中一種是在籠狀晶體結構中存在電子的「零維電子化合物」。特別值得一提的是，使用釕（Ru）的觸媒表現出了優異的氨合成活性（圖4）。此後，他又開發了多種電子化合物觸媒。為了利用這些成果，由細野教授為首的東京科學大學教授團隊、利用氨作為氨基酸原料的味之素株式會社、以及投資機構UMI共同出資成立了Tsubame BHB公司。
圖4：電子化合物觸媒的表面。附著了釕（Ru）奈米粒子，提高了氮分子吸附度和氫分子解離能力。
細野教授等人此後進一步深入研究電子化合物，成功開發出出多種不含貴金屬釕的觸媒材料。其中一種新型觸媒的性能與釕基觸媒相當，在長達數百小時的連續反應中表現出優異的穩定活性。基於此研究成果，Tsubame BHB公司著手進行數公斤級規模的觸媒工業化生產開發，經測試，試製品的催化性能達到了實驗室製備的觸媒性能的70～80%。
細野教授等人進一步發現鉍（Bi）基拓撲絕緣體材料奈米粒子在室溫下即可高效催化合成有機尿素類化合物，為具有新量子現象（無法用經典物理學解釋）的「量子物質」作為實用觸媒開闢了新路徑。拓撲絕緣體是一種因量子效應而具有特殊性質的物質：其內部呈現絕緣特性，表面卻具有導電性，且表面結構異常穩定。細野教授認為這些特性使其成為理想的觸媒材料，並由此展開了此項研究。
上述研究合成的目標產物——有機尿素類化合物，是指尿素分子中的氫原子被烴基取代的衍生物。與尿素不同，這類物質不會立即溶於水，而是通過土壤中的微生物作用逐漸分解為植物可吸收的活性氮。這有望解決被廣泛用作氮肥的尿素的一大缺點——因易溶於水流失從而導致環境污染，所以被期待成為一種可減輕環境負擔的新型氮肥材料。
首套裝置年內啟動運轉
為巴西訂單而加速對應
近年來，全球範圍內都在利用太陽能發電、風能發電等可再生能源電解水來生產「綠氫」。利用Tsubame BHB的創新技術，可在綠氫生產工廠附近部署小型「綠氨」製造工廠，為實現可持續社會提供重要技術支持。
Tsubame BHB公司CEO中村指出，目前年產約70萬噸的大型氨生產工廠集中在少數國家，導致非洲等地區面臨嚴重的肥料短缺問題。中村表示：「若能以較低的運營成本引入小型、可就地部署的製造設施，這些國家就能製造出以氨和尿素為原料的氮肥，從而改善發展中國家的糧食問題。」
Tsubame BHB公司成立於2017年，並於2022年成功獲得日本大型石油開發企業INPEX的首個氨生產裝置訂單。目前該項目正在新瀉縣柏崎市進行建設。該公司將負責INPEX的「藍氫」和「藍氨」生產項目中的氨合成環節。
「藍氫」指利用天然氣重組製氫，製造過程中產生的CO₂將被捕獲起來封存於地下，僅提取實現碳中和的氫氣。以「藍氫」為原料生產的氨即為「藍氨」。Tsubame BHB的小型裝置每年可生產500噸氨，計劃於2025年內投入運行。
2024年，Tsubame BHB獲得了來自日本國內的第二套小型工業用氨製造設備訂單（圖5）。之後又在2025年4月，與巴西企業就綠氨製造設備項目簽署了基本協議。該項目計劃在2027年左右達到年產2萬噸綠氨規模，預計每年可減少約1.1萬噸CO₂排放。巴西擁有豐富的可再生能源，易於獲取綠氫。中村CEO表示：「小型化意味著甚至可以建造出集裝箱尺寸的氨生產裝置，即使在偏遠內陸地區也能部署，因此有很多實際的需求，我們已經收到了來自國外的諮詢。」
圖5：Tsubame BHB的工業用小型氨合成裝置的示意圖。高度僅8.4米。
使用分離膜推進節能化
未來還考慮提供大型裝置
致力於實現氨合成裝置實際應用的Tsubame BHB公司，還在積極引入催化技術以外的創新技術，其中就包括氨分離膜技術。由於氨合成屬於平衡反應，當氨濃度達到一定水平後，合成與分解反應將達到平衡，不再繼續生產氨。在傳統的氨生產裝置中，反應器出口含有合成氨的氣體混合物需經冷卻液化過程才能分離出氨。
然而，冷凍、製熱和冷卻等過程都需要消耗大量能量。為此，Tsubame BHB公司正在研發利用氨分離膜來分離氫氣、氮氣與氨的技術，以實現節能目標。易於應用的氨分離膜技術，也是低溫型氨合成觸媒和小型化裝置技術的重要優勢之一。
另一方面，細野教授指出：「HB法是非常優秀的氨合成方法，正因如此它已被使用了100年以上。我認為，對於大規模生產氨而言，目前尚無方法能真正取代它。」儘管如此，中村CEO仍對大規模氨生產充滿期望。
在應對地球變暖問題方面，綠氨作為火力發電和船舶的替代燃料備受關注，但這就需要建設大型工廠來實現綠氨的大規模生產。Tsubame BHB公司此前主要承接小型裝置訂單，但同時也計劃從2025年起爭取拿到年產超過1萬噸的中型裝置訂單。此外，針對年產50萬噸以上氨的大型工廠項目，該公司也表示期望在2030年之後通過技術許可的方式參與建設。Tsubame BHB未來的發展前景值得持續關注。（TEXT：本橋恵一、PHOTO：島本繪梨佳）
原文：JSTnews 2025年7月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
