La3AlNは、アンモニア合成の過程でAlドープ窒化ランタン(La-Al-N)に変化する。La-Al-Nは、LaNが有する窒素欠損由来の触媒機構と、La-Al結合由来の高い耐水性を併せ持つ触媒であり、La-Al結合の安定化効果によって、触媒表面の化学的な安定性が向上し、触媒活性と化学的安定性の両立に成功したという。こうした安定性向上は、第一原理計算でも水和エネルギーの減少という形で裏付けられたともしている。

  • アンモニア生成速度と時間、および圧力依存性

    (上)アンモニア生成速度と時間、および圧力依存性。400℃、1気圧の場合。(下)アンモニア合成の反応機構 (出所:東工大プレスリリースPDF)

今回、新たな触媒の開発に成功したことについて研究チームでは、高効率のグリーンアンモニア合成の実現に向けて大きな意義があることだとしているが、その一方で、La3AlNやLa-Al-N触媒の比表面積は数m2/gと小さいため、今後の展開としては、アンモニアの生成速度を上げるのに求められる比表面積の増大とアルミニウム濃度などの最適化が挙げられるとしている。

  • アンモニア合成によって生じる担体の構造変化

    アンモニア合成によって生じる担体の構造変化。(左)反応前のLa3AlN。(右)合成反応中にLa-Al-Nへ転化 (出所:東工大プレスリリースPDF)

また今回の研究成果は、窒素欠損サイトとLa-Al金属結合の形成を用いて、高いアンモニア触媒活性と安定性を両立するアプローチを示すものだともしており、同様の材料設計を、活性は高いが化学的安定性に欠けるほかの触媒に適用することも期待されるとしている。