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MITの研究チームは8月11日、電気化学的にアンモニアを合成する際の有望な触媒材料を予測する新手法を、学術誌EES Catalysisに発表しました。核科学工学科およびマテリアルサイエンス学科のビルゲ・ユルドゥズ教授らが、数百万通りの合金の組み合わせを試行錯誤で探す代わりに、反応を左右する物性を特定し候補材料を絞り込む方法を確立しました。
アンモニアは肥料生産に不可欠な化学品で、世界の年間生産量は約2億トンに上ります。その9割以上はハーバー・ボッシュ法という100年以上前に確立した製法で作られており、化石燃料由来の熱と水素を大量に使うため、世界のエネルギー消費の最大2%、温室効果ガス排出量の約1.5%を占めています。
熱や圧力の代わりに電気を使う電気化学的な合成法も存在しますが、生産速度と収率が低く、産業規模でのコスト競争力を欠いていました。研究チームは、この壁を破る鍵が反応表面で機能する金属触媒の性質にあると考え、最適な材料の探索に取り組みました。
研究チームは、遷移金属窒化物に着目し、密度汎関数理論による量子力学シミュレーションと機械学習を組み合わせて、窒素還元反応を左右する電子的・化学的性質を解析しました。この結果、触媒活性を左右する主要な物性を特定し、有望な合金の候補を、実験を重ねずに理論計算だけで絞り込めるようになりました。
研究に加わっていないウィスコンシン大学のデーン・モーガン教授は、この成果について、触媒の基礎的な電子特性と反応性の関係を明らかにし、計算スクリーニングを加速させる意義深い研究だと評価しています。一方で、実用的な触媒として社会実装するには、なお多くの検証段階が必要だとも指摘しています。
研究チームは現在、理論段階にとどまっている候補材料を実際に合成し、反応セルを使って性能を評価する実験に着手する計画です。研究者は、実験室での検証を経て初めて社会に影響を与えられると述べ、次の段階に意欲を示しています。