貴金属触媒を用いないで低温アンモニア分解を実現
北野政明教授（東京科学大学：計画A02） 細野秀雄栄誉教授（東京科学大学：計画A02）
【概要】
東京科学大学（Science Tokyo） 総合研究院 元素戦略MDX研究センターのGuo Qing（グオ・チン）博士研究員、Wang Shiyao（ワン・シーヤオ）博士研究員、北野政明教授、細野秀雄特命教授らの研究グループは、非貴金属触媒であるニッケル（Ni）触媒とコバルト（Co）触媒に担体として珪化バリウム（BaSi2）[用語1] を用いることで、低温において貴金属ルテニウム触媒に匹敵するアンモニア分解活性を達成しました。
アンモニアは、水素（H2）を高密度で安全に貯蔵・輸送できる「水素キャリア[用語2]」として注目されていますが、水素を取り出すためのアンモニア分解反応には高温が必要であり、低温化が大きな課題となっています。また、安価なNiやCoなどの非貴金属触媒による高い分解活性を実現することも課題となっています。これらの触媒では、反応の律速段階[用語3]である窒素–窒素結合形成（N–Nカップリング）[用語4]に高いエネルギー障壁が存在するため、低温作動が困難でした。
本研究では、Ni触媒やCo触媒の担体として、安定なZintl相シリサイド[用語5]であるBaSi2を用いました。このBaSi2界面において、低原子価状態にあるバリウム（Ba）から遷移金属（TM）[用語6]に結合した窒素原子への電子移動が生じ、TM–N–Ba中間体が形成されることが示唆されました。この中間体が形成されることで、律速段階である窒素–窒素結合形成反応のエネルギー障壁が大幅に低下します。こういった原理により、NiとCoという非貴金属触媒が、低温でも高効率で作動することを明らかにしました。
研究成果は2月19日（現地時間）に米国科学誌「Journal of the American Chemical Society 」オンライン速報版に公開されます。
Abstract
Catalytic ammonia decomposition for hydrogen release at reduced temperatures is a critical component of the hydrogen energy roadmap. However, conventional nonprecious transition metal (TM) catalysts, such as Ni and Co, typically suffer from a high energy barrier in the N–N coupling step. In this study, we report that a stable Zintl phase silicide of BaSi2 functions as an efficient support for Ni and Co catalysts in ammonia decomposition via the formation of TM–nitrogen–barium intermediates at the TM-BaSi2 interface. Characterizations using kinetic studies, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and density functional theory calculations suggest that electron transfer occurs from the interfacial low-valence barium to nitrogen atoms bonded to TM at the TM-BaSi2 interface, which leads to the formation of TM-nitrogen–barium intermediates and in turn lowers the energy barrier for the rate-determining N–N coupling step. This promotion enables Ni- or Co-loaded BaSi2 catalysts to significantly outperform conventional nonprecious metal catalysts and become comparable to the Ru-based catalysts. These results offer a new perspective for the future design of nonprecious metal catalysts for ammonia decomposition at reduced temperature.
"Q. Guo, S. Wang, J. Li, Y. Jiang, Z. Zhang, M. Sasase, *H. Hosono, *M. Kitano,"J. Am. Chem. Soc.2026 "Ammonia Decomposition Promoted by the Formation of Ternary Transition Metal Nitride Intermediates: Ni (Co)-Loaded BaSi2"