貴金属を使わずに高効率でアンモニアを分解 100℃低温化できる高性能なNi触媒を開発

用語説明

[用語1] カルシウムイミド（CaNH） : 2価の陽イオンと陰イオンであるカルシウムイオン（Ca²⁺）とイミドイオン（NH^2-）が静電的な力で結びついた無機化合物である。食塩（NaCl）と全く同じ結晶構造を持ち、陽イオンと陰イオンが交互に配列している。純粋なものは食塩と同様、ほとんど無色である。

[用語2] Ni触媒 : 鉄族に分類されるNiを活性種とした触媒。Niは地球上に豊富に存在する元素であり安価な金属材料である。水素との親和性が高いため、水素分子の活性化による他の分子との反応促進（水素化）や、分子から水素を取り除く（脱水素化）反応に広く利用される。窒素を活性化する作用は非常に弱いことが知られている。

[用語3] アンモニア分解活性 : アンモニアを水素と窒素へ分解する反応に対する触媒性能の指標の一つ。より多くのアンモニア分子を、少ない触媒の量で速く分解できることが望ましい。

[用語4] ルテニウム : 白金族に分類される元素であり、埋蔵量が少なく産地が偏在しているため高価な金属材料である。水素だけでなく窒素とも優れた親和性を持つため、アンモニア合成・分解反応に対して最も優れた触媒活性を示すことが知られている。

[用語5] NH空孔 : カルシウムイミド（CaNH） に含まれるNH^2-の一部が、水素と窒素へ分解されることによってNH^2-が部分的に抜けた空きサイトをNH空孔と呼ぶ。空孔ができるとNH^2-イオンがもっていた2個の電子が空孔サイトに取り残され、電荷が補償される。このとき、CaNHの色が無色からオレンジ色に変化する。高濃度のアニオン欠損に電子が存在するので、表面エレクトライドとも見做される。

[用語6] ハーバー・ボッシュ法 : ハーバーとボッシュによって確立された鉄を触媒として窒素と水素から工業的にアンモニアを合成する方法。天然ガスの改質による水素製造プロセスと一体となっており、高温・高圧条件で大量にアンモニアを合成する方法である。アンモニア合成を通して人類を支えた研究者たち｜東工大TOPICS｜東工大について

[用語7] Ni/CaNH触媒 : CaNHの表面にNiのナノ粒子を固定化した粉末のこと。アンモニア分解反応に対して高い活性を示すことが明らかとなった。

[用語8] NH^2-種 : アンモニア分子（NH₃）と2個の電子が反応した際に生じる2価の陰イオンである。水酸化物イオン（OH^-）と同様に直線型の構造をもっている。高温では水素と窒素に分解される。

[用語9] NH₃-パルス測定 : 一定量のNH₃ガスを断続的に導入し、試料とNH₃ガスを徐々に反応させることによって、反応挙動の変化を段階的に観察する手法。

[用語10] 同位体ガス : 原子番号が同じで、重さ（質量数）だけが異なる原子のこと。化学的性質は同等である。

[用語11] NH結合 : 窒素原子と水素原子が互いの電子を共有することによって生まれる化学結合（共有結合）。アンモニア分子にも含まれる比較的安定な結合であり、適切な触媒を用いないと、高温（700℃程度）においても素早く切断することができない。

[用語12] 活性化エネルギー : 反応の出発物質の基底状態から遷移状態に励起するのに必要なエネルギーのことであり、このエネルギーが小さいほど、その反応は容易になる。反応中に触媒が存在することで、活性化エネルギーを下げることが可能である。

[用語13] 律速段階 : 化学反応において最も遅い反応段階であり、この反応速度が全体の化学反応の速度を支配している。

[用語14] 比較触媒 : 新しく合成した触媒の性能を比べるための、基準となる活性を持つ触媒のこと。

[用語15] Ni/Al₂O₃ : Niのナノ粒子を安定な酸化物であるAl₂O₃（酸化アルミニウム）に固定化した触媒。

[用語16] Ni/CaO : Niのナノ粒子を安定な酸化物であるCaO（酸化カルシウム）に固定化した触媒。

[用語17] C12A7エレクトライド : 酸化カルシウムと酸化アルミニウムを主成分とした物質であり、結晶の中にCa-O-Alから成るプラスの電荷を帯びた籠状の構造を含む。プラスの電荷を中和するために様々な陰イオン（O^2-, OH^-, H^-, Cl^-）を籠の中に取り込むことが可能であり、究極の陰イオンである電子（e-）を含むものを特にC12A7エレクトライドと呼ぶ。C12A7エレクトライドは電子を放出する能力が非常に高く、表面に金属ナノ粒子を固定化すると、触媒としての性能が飛躍的に向上することが知られている。