北野 政明（東京科學大學 綜合研究院 元素戰略MDX研究中心 教授）
|開發出低環境負荷的高性能氨合成觸媒
東京科學大學綜合研究院元素戰略MDX研究中心的北野政明教授等人的研究團隊，以地球上蘊藏量豐富的矽酸鹽化合物為起始原料，開發出了一款不依賴於此前一直被視作常識的過渡金屬的新型氨合成觸媒。所謂觸媒，是指在化學反應中不被消耗、用於提升反應效率的物質。
研究團隊合成了一種將矽酸鋇（Ba₃SiO₅）晶體中的部分氧替換為氫負離子（H -）※1與氮化物離子（N 3-）的觸媒。這種觸媒，在反應過程中被替換的離子會從晶體中脫離，進而形成陰離子缺陷※2；被這些缺陷捕獲的電子可高效活化氮分子。研究結果顯示，這種觸媒的氨合成速度遠高於現有釕觸媒。
※1 氫負離子：得到1個電子後帶負電荷的氫原子。
※2 陰離子缺陷：陰離子從晶體中脫離的狀態。陰離子脫離後，缺陷周圍容易留存電子。
|去碳社會目標下既往氨合成法的問題
既往方法會排放大量二氧化碳
氨（NH₃）是作為化肥與化工產品原料不可或缺的物質。近年來，因其高密度含氫元素，所以氨也被作為儲氫載體而受到關注。儲氫載體是指將氫轉化為其他物質，實現安全儲存與運輸的物質。
目前工業用氨主要通過需高溫高壓條件的哈柏-波希法合成。該方法使用化石燃料與觸媒反應生成的氫氣，因此會產生大量二氧化碳副產物。從環境保護角度出發，要實現使用可再生能源來源氫氣的「綠氨」合成，就亟需開發可在低溫低氣壓條件下發揮作用、且能高效合成氨的觸媒。
氨合成觸媒含有過渡金屬是此前的常識
此前，但凡提及氨合成觸媒，所指均為含過渡金屬※3的觸媒。因為作為氨原料的氮分子與過渡元素的結合力極強，可高效活化氮分子。所以學術界普遍認為，不含過渡金屬的材料無法活化氮。
※3 過渡金屬：化學反應容易進行的金屬。由於這類金屬容易向分子提供或分子接受電子，所以能夠將難反應的分子轉變為易反應的狀態。
|電子活化氮的新型氨合成法
具有優異的氨合成速度的化合物
研究團隊合成了在矽酸鋇（Ba₃SiO₅）的氧位點中高濃度引入氫負離子（H -）與氮化物離子（N 3-）的混合陰離子化合物「Ba₃SiO5-xNz H」（圖1）。這種化合物不僅可穩定持續合成氨達100小時以上，且在低溫下表現出了氧化鎂負載釕觸媒等既往過渡金屬觸媒10倍以上的氨合成速度。
圖1 Ba₃SiO5-xNzH的晶體結構
矽酸鋇（Ba₃SiO₅）中引入了氫（H）與氮（N）元素。
捕獲電子的觸媒
在氨合成溫度下，Ba₃SiO5-xNzH化合物中的氫負離子（H -）與氮化物離子（N 3-）容易發生脫離，最終在生成氨後形成陰離子缺陷（圖2右）。電子被捕獲在這些陰離子缺陷中，使化合物整體處於富含電子的狀態。在氮與氫存在的條件下進行加熱時，這些電子會活化氫分子與氮分子，隨後氫與氮重新進入化合物，使結構恢復至初始狀態（圖2左）。
圖2 氨合成的機制
通過反復進行陰離子缺陷形成（右）與晶格H、N再生（左）持續生成氨（NH₃）。藍色球表示氮原子，白色球表示氫原子。
由此可知，本化合物可在改變結構的同時，作為促進氨合成反應持續進行的觸媒發揮作用。
可在比既往方法更為低溫低氣壓的條件下合成
研究團隊通過在Ba₃SiO5-xNzH表面附著微小釕顆粒，將氨合成速度最高提升到了100倍以上。研究闡明，此時釕並不作為活性位發揮作用，而是通過促進陰離子缺陷的形成，使反應性顯著提升。結果顯示，即便在300度、1.0兆帕這一較既往方法更為低溫低氣壓的條件下，也獲得了迄今報導成果中最高水平的氨合成速度。
|成為新一代觸媒設計的基礎技術
本研究成果顛覆了氨合成觸媒領域過渡金屬不可或缺的傳統常識，提出了以地球上蘊藏量豐富的矽氧化物為基礎、將陰離子缺陷捕獲的電子用於合成的新型觸媒設計思路。由此，此前從未被列為觸媒候選的元素組合，有可能成為未來材料探索的對象。未來，該技術有望成為加速綠氨合成實用化的基礎技術。
原文：JST 事業成果 奈米技術與材料領域
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Chemistry
論文：Anion vacancies activate N2 to ammonia on Ba-Si orthosilicate oxynitride-hydride
DOI： 10.1038/s41557-025-01737-8
