アンモニアの生産は、世界のエネルギーの約2%を消費しています。このプロセスは、約1.5%の世界的な温室効果ガス排出を生み出し、数十億人を養うための肥料の製造に主に使用されています。マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、よりクリーンな触媒の探索を加速する計算手法を開発し、効果的な材料の発見にかかる時間を短縮する可能性があります。この研究は、ビルキ・イリディス教授と博士課程の学生コンスタンティン・アサニティス、フィリップ・グライコフスキーによって主導され、8月11日に『ロイヤルケミカルソサエティ』のジャーナルEES Catalysisに発表されました。
1世紀のプロセス
現在、90%以上のアンモニア生産は依然としてハーバー・ボッシュプロセスに依存しています。この化石燃料に依存する方法は、過去1世紀の間ほとんど変わっていません。アサニティスは、このプロセスは導入以来「超最適化」されており、代替が難しい目標となっていると述べています。電気化学を利用した代替手法が存在し、熱と圧力の代わりに窒素とプロトン-電子対の反応を駆動しますが、これは電解器で採用されている基本原理と同じです。しかし、アサニティスは、この方法は産業規模での応用において依然として非常に非効率的であり、生産性と収率が企業の転換の需要を満たすことができないと指摘しています。
マサチューセッツ工科大学が新しい方法で触媒探索を加速
推測の必要のない探索
この効率を向上させる鍵は、反応の進行効率を決定する表面特性を持つ材料であるより良い触媒を見つけることにあります。すべての可能な金属合金の組み合わせを試行錯誤でテストするには数年かかる可能性があるため、マサチューセッツ工科大学のチームは探索範囲を絞るための計算手法を構築しました。イリディスは、この方法がアンモニア生産の触媒活性を促進する重要な物理特性を特定できるため、研究者が無作為に合金をテストするのではなく、より良い触媒化合物をターゲットにして探索できるようにすることを提供すると述べています。
チームは、これらの反応で良好な性能を示すことが知られている遷移金属窒化物に焦点を当てています。これらの材料は、化学プロセスの一部として自らの窒素原子を持つためです。この内蔵された窒素は、一連の化学ステップを生み出し、各ステップが次のステップに必要なエネルギーの一部を提供することで、反応に必要な外部エネルギーを減少させます。アサニティスは、このプロセスは特定のポイントでボトルネックに直面することがあると述べており、窒素の解離や水素の移動が含まれます。チームの目標は、これらのボトルネックを正確に特定することです。
以前の理論
ウィスコンシン大学の工学教授ダン・モーガンはこの研究には参加していませんが、この方法を刺激的な仕事として称賛しています。彼は、これが新しいアンモニア触媒の設計の基礎を築く可能性があると述べています。この研究は、材料の基本的な電子特性が触媒としての機能とどのように関連しているかを明確にし、これらの情報が定性的理解とより迅速な計算スクリーニングを指導することができるとしています。現在、この研究は純粋に理論的なものです。研究者たちは計算モデルを通じて有望な合金を特定しましたが、これらの材料は実際の条件下で合成およびテストする必要があります。
モーガンは、これらの計算を実際の作業触媒に変換するには、実際の影響を実現するために大量の追加作業が必要になるだろうと指摘しています。アサニティスは、次のステップは、特定された触媒を使用してアンモニアを生産し、実際の操作条件下での性能を測定する作業反応池を構築することだと述べています。彼は、実質的な影響を得るには、研究をシミュレーションから実験室実験に移行させる必要があると述べています。チームは、この材料探索が以前の努力よりも進展していると信じています。