北野 政明（东京科学大学 综合研究院 元素战略MDX研究中心 教授）
|开发出低环境负荷的高性能氨合成催化剂
东京科学大学综合研究院元素战略MDX研究中心的北野政明教授等人的研究团队，以地球上储量丰富的硅酸盐化合物为起始原料，开发出了一款不依赖于此前一直被视作常识的过渡金属的新型氨合成催化剂。所谓催化剂，是指在化学反应中不被消耗、用于提升反应效率的物质。
研究团队合成了一种将硅酸钡（Ba₃SiO₅）晶体中的部分氧替换为氢负离子（H -）※1与氮化物离子（N 3-）的催化剂。这种催化剂，在反应过程中被替换的离子会从晶体中脱离，进而形成阴离子缺陷※2；被这些缺陷捕获的电子可高效活化氮分子。研究结果显示，这种催化剂的氨合成速度远高于现有钌催化剂。
※1 氢负离子：得到1个电子后带负电荷的氢原子。
※2 阴离子缺陷：阴离子从晶体中脱离的状态。阴离子脱离后，缺陷周围容易留存电子。
|脱碳社会目标下既往氨合成法的问题
既往方法会排放大量二氧化碳
氨（NH₃）是作为化肥与化工产品原料不可或缺的物质。近年来，因其高密度含氢元素，所以氨也被作为储氢载体而受到关注。储氢载体是指将氢转化为其他物质，实现安全储存与运输的物质。
目前工业用氨主要通过需高温高压条件的哈伯-博施法合成。该方法使用化石燃料与催化剂反应生成的氢气，因此会产生大量二氧化碳副产物。从环境保护角度出发，要实现使用可再生能源来源氢气的“绿氨”合成，就亟需开发可在低温低压条件下发挥作用、且能高效合成氨的催化剂。
氨合成催化剂含有过渡金属是此前的常识
此前，但凡提及氨合成催化剂，所指均为含过渡金属※3的催化剂。因为作为氨原料的氮分子与过渡元素的结合力极强，可高效活化氮分子。所以学术界普遍认为，不含过渡金属的材料无法活化氮。
※3 过渡金属：化学反应容易进行的金属。由于这类金属容易向分子提供或分子接受电子，所以能够将难反应的分子转变为易反应的状态。
|电子活化氮的新型氨合成法
具有优异的氨合成速度的化合物
研究团队合成了在硅酸钡（Ba₃SiO₅）的氧位点中高浓度引入氢负离子（H -）与氮化物离子（N 3-）的混合阴离子化合物“Ba₃SiO5-xNz H”（图1）。这种化合物不仅可稳定持续合成氨达100小时以上，且在低温下表现出了氧化镁负载钌催化剂等既往过渡金属催化剂10倍以上的氨合成速度。
图1 Ba₃SiO5-xNzH的晶体结构
硅酸钡（Ba₃SiO₅）中引入了氢（H）与氮（N）元素。
捕获电子的催化剂
在氨合成温度下，Ba₃SiO5-xNzH化合物中的氢负离子（H -）与氮化物离子（N 3-）容易发生脱离，最终在生成氨后形成阴离子缺陷（图2右）。电子被捕获在这些阴离子缺陷中，使化合物整体处于富含电子的状态。在氮与氢存在的条件下进行加热时，这些电子会活化氢分子与氮分子，随后氢与氮重新进入化合物，使结构恢复至初始状态（图2左）。
图2 氨合成的机制
通过反复进行阴离子缺陷形成（右）与晶格H、N再生（左）持续生成氨（NH₃）。蓝色球表示氮原子，白色球表示氢原子。
由此可知，本化合物可在改变结构的同时，作为促进氨合成反应持续进行的催化剂发挥作用。
可在比既往方法更为低温低压的条件下合成
研究团队通过在Ba₃SiO5-xNzH表面附着微小钌颗粒，将氨合成速度最高提升到了100倍以上。研究阐明，此时钌并不作为活性位点发挥作用，而是通过促进阴离子缺陷的形成，使反应性显著提升。结果显示，即便在300度、1.0兆帕这一较既往方法更为低温低压的条件下，也获得了迄今报道成果中最高水平的氨合成速度。
|成为新一代催化剂设计的基础技术
本研究成果颠覆了氨合成催化剂领域过渡金属不可或缺的传统常识，提出了以地球上储量丰富的硅氧化物为基础、将阴离子缺陷捕获的电子用于合成的新型催化剂设计思路。由此，此前从未被列为催化剂候选的元素组合，有可能成为未来材料探索的对象。未来，该技术有望成为加速绿氨合成实用化的基础技术。
原文：JST 事业成果 纳米技术与材料领域
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Chemistry
论文：Anion vacancies activate N2 to ammonia on Ba-Si orthosilicate oxynitride-hydride
DOI： 10.1038/s41557-025-01737-8
