不均一系触媒は、反応物質とは異なる状態にあるため、化学反応を加速します。高温や高圧などの厳しい条件下でも効率的で安定しています。伝統的に、鉄、プラチナ、パラジウムなどの金属は、石油化学や農業などの産業で、水素化やハーバー法などの重要な反応に広く使用されてきました。ただし、これらの金属はまれであるため、コークス化による蓄積などの問題が発生する可能性があります。科学者は、より持続可能でコスト効率の高い産業用途のための触媒として共通の元素をますます探索しています。
2000 年代半ば、フラストレート ルイス ペア (FLP) 概念の導入により、触媒作用、特に小分子の活性化において大きな進歩が見られました。 FLP は 2 つの成分の組み合わせで構成されています。1 つはルイス酸として機能し、もう 1 つはルイス塩基として機能します。空間的または電子的な障害により相互に完全に反応することができません。この「フラストレーション」により、分子は非常に反応性の高い状態になり、通常は分解するのが非常に難しい水素、二酸化炭素、アンモニアなどの安定した分子を活性化することができます。 FLP は複数の活性部位を持っているため際立っており、通常活性部位が 1 つしかない従来の触媒と比べて反応性と選択性が高くなります。 FLP には主に 2 つのタイプがあります。1 つは不均一欠陥制御 FLP、もう 1 つは分子ベースの均一 FLP です。最初のタイプは、表面欠陥を通じて活性サイトの数を制御します。反応性を正確に調整し、安定性を制御するのは面倒な場合があります。 2 番目のタイプは、酸と塩基のペアが同じ分子構造内に存在する小分子を対象とし、周囲の成分を変更するだけで反応性を調整することが容易になります。
最近の研究では、分子ベースの FLP を固体システムでの使用に適応させることで新境地を開拓しました。研究者らは、ポリマー由来セラミック (PDC) プロセスを通じてプレセラミックポリマーの化学的多用途性を活用することでこれを達成しました。この共同作業には、日本の名古屋工業大学の岩本雄二教授と多田正太郎博士を含む世界中の専門家が集まりました。フランス、リモージュ大学のサミュエル・ベルナール博士。インド工科大学マドラス校のラヴィ・クマール教授。彼らの発見は、2024 年 8 月 9 日にオンラインで公開され、2024 年 10 月 2 日に「ホットペーパー」として宣言され、ジャーナルの第 63 巻、第 46 号に掲載されました。 応用化学国際版 2024 年 11 月 11 日。
研究主任の岩本祐司教授は、「ポリシラザンとして知られる窒素含有有機ケイ素ポリマーを、ルイス塩基サイトおよびアモルファス窒化ケイ素（a-SiN）マトリックスの前駆体として使用しました。熱化学プロセスを利用して、ナノ閉じ込め反応場として機能する細孔サイズを正確に制御した a-SiN 足場を作成しました。」
この研究で研究チームは、天然に豊富で毒性の低いルイス酸であるホウ素(B)とナトリウム(Na)でポリシラザンを化学修飾した。次に、改質された材料を 1000 °C で流動するアンモニアにさらすと、ナトリウムドープのアモルファスシリコン窒化ホウ素 (Na ドープ SiBN) が得られました。
研究者らは、最先端の分光技術を使用して、ナトリウムドープSiBN材料が分子レベルで水素とどのように相互作用するかを明らかにした。彼らは、この材料の独特な構造が、水素にさらされるとホウ素と窒素のサイトの反応性を高めることを発見しました。具体的には、水素分子はホウ素部位とナトリウムイオンの両方と相互作用し、3重配位のホウ素窒素部分をより歪んだ極性構造に変化させ、小さな分子で4重配位の幾何学構造を形成し、フラストレーションルイスのように作用した。酸（FLA）部位。特定の温度で水素を導入すると、窒素-水素 (NH) 結合の変化が引き起こされ、フラストレート ルイス塩基 (FLB) サイトが形成されます。これらの部位は、可逆的な水素の吸着と脱着を可能にする FLP の動的相互作用パターンを作成し、熱力学実験によって確認されました。水素放出のための高い活性化エネルギーは強い相互作用を示唆しており、この材料は効率的かつ持続可能な水素ベースの反応のための有望な触媒となっている。
この新しく開発されたアモルファス ナトリウム ドープ SiBN 材料は、その並外れた熱安定性が際立っており、他の分子 FLP を上回っており、過酷な条件下での触媒プロセスの理想的な候補となっています。さらに、その柔軟なセラミックベースの構造は、特にエネルギーや化学などの産業で不可欠なプロセスである水素化反応において、実用的な用途に計り知れない可能性をもたらします。
「このアプローチは、不均一系触媒におけるメイングループを介した固相・気相相互作用を発展させる可能性を秘めており、貴重な洞察を提供し、この領域に大きな影響を与えることが期待されます」と岩本教授は説明する。
この研究の先駆的な発見は、この革新的な材料が持続可能な触媒作用に革命をもたらす可能性を浮き彫りにしています。
#新しいセラミック触媒はナトリウムとホウ素を使用して持続可能な産業反応を推進します