肥料の原料として世界の食料生産を支えるアンモニアは、その合成に地球規模で膨大なエネルギーを消費している。京都大学福井謙一記念研究センターなどの研究チームは、大気中に豊富にある窒素分子(N2)を比較的穏やかな条件でアンモニアに変える分子触媒について、これまで未解明だった反応の仕組みを解明したと発表した。
世界のエネルギー消費の1〜2%を占める合成法
現在、工業的なアンモニア合成のほぼすべてはハーバー・ボッシュ法によっている。窒素と水素を約400〜500℃・数百気圧という高温高圧下で反応させる必要があり、原料の水素は主に天然ガスから作られるため大量の二酸化炭素排出を伴う。世界のアンモニア生産は世界のエネルギー消費のおよそ1〜2%を占めるとされ、より穏やかな条件で窒素を固定する技術が長年求められてきた。
水を“強力な水素の運び手”に変える仕掛け
研究チームが着目したのは、モリブデン(Mo)分子触媒に、ヨウ化サマリウム(SmI2)と水を組み合わせる反応系である。通常、水のO-H結合を切って水素(プロトンと電子を組にして渡す、化学的には「プロトン共役電子移動(PCET)」と呼ばれる過程)を触媒に引き渡すには大きなエネルギーが必要だが、水がサマリウムイオンと結合して[SmI(H2O)(thf)5]Iという錯体を作ると、このO-H結合の解離自由エネルギーが劇的に低下することを理論計算によって突き止めた。
自由な水分子のO-H結合解離自由エネルギーは107.2kcal/molだが、サマリウム錯体の中では36.1kcal/molまで低下する ── およそ3分の1にまで下がる計算だ。
反応の“通り道”を初めて解明
さらに実験と理論計算を組み合わせ、モリブデン上で窒素がニトリド(Mo≡N)からイミド(Mo=NH)、アミド(Mo-NH2)を経てアンモニア錯体へと段階的に変化していく反応経路を解明した。計算上、最もエネルギー障壁が高い段階はイミド形成の段階で、その活性化自由エネルギーは5.1kcal/molと算出された。イミドやアミドに対応する構造モデルとなる中間体(窒素上にメチル基を導入した類縁化合物)は実際に単離され、構造も決定されている。
研究チームと、今回の研究の位置づけ
研究は、京都大学福井謙一記念研究センターの吉澤一成研究員(九州大学名誉教授)、東京大学大学院工学系研究科の西林仁昭教授、大同大学の田中宏昌教授、京都工芸繊維大学の中村泰司助教らによるものです。西林教授らのグループは、モリブデン分子触媒を使って常温・常圧で窒素と水からアンモニアを合成できること(反応系にはヨウ化サマリウムも使われます)を以前に報告しており、今回は、その反応が「なぜ進むのか」という詳しい仕組みの解明に取り組みました。
実験と理論計算で、反応の途中経過を確かめた
反応の途中でできる「反応中間体」を、安定な化合物として実際に取り出して構造を確かめることで、提案した反応経路を実験で裏づけました。さらに、量子化学計算(量子力学に基づいて、コンピューターで分子の振る舞いを予測する手法)によって、実験では直接観察しにくい過程を調べ、ヨウ化サマリウムと水の複合体の構造や、プロトン共役電子移動がアンモニア生成で重要な役割を果たすことを確認しています。京都大学の発表によると、反応全体で最も進みにくい段階は、イミドができる段階です。
実用化に向けた課題
今回の成果は反応の仕組みの解明であり、そのまま工業的な製造法になるわけではありません。研究グループは、機構の理解を手がかりに、少ないエネルギーでアンモニアを作れる高性能な触媒の開発を目指すとしています。また、持続可能なアンモニア製造には、触媒の性能向上に加えて、再生可能エネルギーの利用や製造コストの低減に向けた反応条件の検討も必要だと述べています。
京都大学の発表によると、この成果は、NEDOのグリーンイノベーション基金事業(幹事企業は出光興産)の成果の一部です。同基金には、アンモニアを燃料として使うサプライチェーンの構築プロジェクトもあり、事業用の石炭火力発電所のボイラーで、アンモニアの混焼率50%以上の技術を確立して商用運転の可否を判断する実証(2021〜2028年度)などが含まれています。ただし、混焼の実証は、今回の触媒機構の研究そのものとは別のテーマです。アンモニアは肥料の原料であるとともに、水素の運搬・貯蔵の媒体や燃料としても注目されています。
用語メモ
- 窒素固定:空気中の窒素分子(N2)を、生物や産業で利用できる窒素化合物に変える反応
- ハーバー・ボッシュ法:窒素と水素からアンモニアを工業的に合成する方法。高温・高圧が必要
- 触媒:反応を速めたり、穏やかな条件で進めたりする物質
- プロトン共役電子移動:電子の移動と水素イオン(プロトン)の移動が協調して進む過程
- ヨウ化サマリウム(SmI2):電子を与える性質があり、還元剤として使われる化合物
この成果をどう読むか:実用化までの距離
今回の成果は、反応の「仕組み」を解明したものであり、ハーバー・ボッシュ法を直ちに置き換える工業プロセスが完成した、という発表ではありません。この反応系では、ヨウ化サマリウムが電子を渡す役を担い、反応が進むにつれて消費されます。実用化に向けては、触媒の効率や寿命、還元剤の扱いなど、解決すべき課題が残ると考えられます。
それでも、水の強い結合を弱めて水素を触媒に渡せる理由と、窒素がアンモニアに変わる途中の姿が分かったことは、より優れた触媒を設計するための地図になります。アンモニアは肥料としてだけでなく、水素を運ぶ手段や燃料としても注目されており、穏やかな条件でつくる技術の基礎が深まる意義は小さくありません。
まとめ
反応機構が明らかになったことで、触媒をさらに改良するための設計指針が得られる。研究チームが開発してきた類縁の分子触媒では、モリブデン原子1個あたり最大6万当量ものアンモニアを生成した実績もあり、今回の知見が次世代の窒素固定技術につながることが期待される。研究成果は2026年9月24日付でNature Communications誌に掲載された。
Xsciens編集部の読み解き
この研究の価値は「アンモニアが安く作れるようになった」ことではなく、「なぜ効くのかが分かった」ことにあります。
- 分かったこと。水のO-H結合を弱めて水素を渡す仕掛けと、窒素がアンモニアに変わる途中の姿が、実験と計算の両方で裏づけられました。
- まだ分からないこと。この反応には還元剤としてヨウ化サマリウムが要ります。総説(Smith et al., 2020)は、金属錯体を使う方式では還元剤やプロトン源に要するエネルギーが、既存のハーバー・ボッシュ法よりも大きくなりやすい点を課題に挙げています。今回の系でも、還元剤をどう再生・節約するかが実用化の鍵になりそうです。
- 読むときの注意。「穏やかな条件」は研究室での話で、巨大プラントの置き換えを意味しません。比較は規模・コスト・排出量まで見て初めて意味を持ちます。
- 編集部の想像(推測)――私たちは、この成果が、すぐに肥料の値段を変えるというより、「地図が一枚増えた」ような形で効いてくるかもしれないと考えています。たとえば、離島や農村のように大きな工場を置きにくい場所で、小さな設備が肥料を作る将来像を、研究者が描きやすくなる可能性があります。ただし、これは現時点では編集部の推測であり、実現するかどうかは触媒の耐久性や還元剤の問題が解けるかにかかっています。
出典
京都大学「次世代型アンモニア合成法の触媒機構を解明」
Nakamura et al., “Unveiling full mechanistic picture of Mo-catalysed nitrogen fixation driven by SmI2–H2O system”, Nature Communications 17, 9927 (2026)
論文情報:Nakamura, T. et al., “Unveiling full mechanistic picture of Mo-catalysed nitrogen fixation driven by SmI2–H2O system”, Nature Communications (2026), DOI: 10.1038/s41467-026-77505-0
参考:京都大学 研究成果、NEDO「燃料アンモニアサプライチェーンの構築」