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摘要：为了解决利用哈伯-博施法制氨长久以来存在的课题，研究人员致力于研发一种在5MPa以下的压力下达到80%以上氨产率的非均相催化剂，为实现不使用化石能源的氨生产作贡献。

关键字：非均相催化剂、氨合成、电子供给材料、高性能催化剂、制氨工艺

通过利用铁系催化剂的哈伯-博施法（Haber-Bosch Process）来大规模生产氨的技术支撑了这一百多年以来人类人口的增加和文明的发展。由于氨生成反应是放热反应，因此随着反应温度的上升，氨的产率会急剧下降。实际上，400℃下的氨的理论产率即使在20MPa的高压条件下也不会超过40%。因此，使用最佳反应温度在400℃以上的铁系催化剂并在十几MPa的加压条件下被应用的商用哈伯-博施法，虽然消耗大量的能量，但氨产率仅为30%左右。

从基于自然能源等的氢来源多样化、液氨的分布式生产、加压带来的能源消耗、设备的耐压性和规模等角度来看，在今后的氨生产中，优选非均相催化工艺，该工艺能够在数MPa气压下实现尽可能高的氨产率。其实这是利用哈伯-博施法制氨开始以来就存在的课题。

为解决上述课题，本研究致力于研制出在5MPa以下的压力下达到80%以上氨产率的非均相催化剂。这意味着这种催化剂在不到150℃的温度下具有高氨合成活性。

研究方法

本研究以新发现的具有强电子供给能力的材料和由过渡金属构成的催化剂为基础，通过以下研究来实现目标。

1. 阐明负载过渡金属的各种上述电子供给材料（供体）的催化作用与表面特性之间的关系，并选择在低温下有望合成氨的电子供给材料。

2. 通过两种方法提高所选择的电子供给材料负载过渡金属催化剂中的电子供给性，大幅提高低温下的氨合成活性。

3. 在加压条件下（1~5MPa）对开发出的催化剂进行性能评价，由此判断是否达成目标，获得更高性能催化剂的开发方针。

期待成果和意义

近年来，一种被称为“Wind to Ammonia”的新型制氨工艺备受关注（图1）。这种工艺利用风力发电来进行水电解，再将生成的氢通过哈伯-博施法转化为氨，是在不使用化石资源的情况下持续生产氨的尝试。

但是，目前“Wind to Ammonia”的实现极其困难。这是因为现有的哈伯-博施法需要高温和高压，只能通过风力发电来运行。现有的商用制氨设备组合使用甲烷重整制氢法和哈伯-博施法，通过严密地利用丰富的蒸汽来最大限度地减少哈伯-博施法的能源消费，但是在不能使用蒸汽的“Wind to Ammonia”工艺中，哈伯-博施法消耗的能量大幅提高。本研究成果将为实现不使用化石能源的氨生产作出巨大贡献。

图1. Wind to Ammonia

【与该研究课题有深度关联的论文等】

•Komanoya, T；Kinemura, T；Rita, Y；Kamata, K；Hara. M*. “Electronic Effect of Ruthenium Nanoparticles on Efficient Reductive Amination of Carbonyl Compounds”, J. Am. Chem. Soc., 139, 11493-11499, 2017.

•Hara. M*；Kitano, M; Hosono, H*, “Ru-Loaded C12A7:e^- Electride as a Catalyst for Ammonia Synthesis”, ACS Catalysis, 7, 2312-2324, 2017.

低温工作型氨合成催化剂