この記事で分かること

レアアースの代替技術：自動車用排ガス浄化触媒でのランタン

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回は光学レンズ・ガラスでのランタンの役割に関する記事でしたが、今回は自動車の排ガス浄化触媒でのランタンの役割に関する記事となります。

自動車の排ガス浄化触媒でのランタンの役割は何か

　自動車の排ガス浄化触媒（三元触媒やディーゼル用触媒など）において、ランタン（通常は酸化ランタン：La2O3 やランタナとして添加）は、触媒自体の性能を長期間維持するための「構造安定化剤（アンカー）」や「助触媒」として極めて重要な役割を果たしています。

1. アルミナ担体の耐熱化と焼結防止（最も重要な役割）

　排ガス浄化触媒では、プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）といった高価な貴金属を細かく分散して支えるために、比表面積が非常に大きいアルミナ（Al2O3）が「担体（ウォッシュコート層）」として広く使われています。

• 課題: 自動車の排ガス温度は通常時から過酷な走行時には900℃〜1000℃以上に達するため、純粋なアルミナのままだと高温下で「焼結（粒子の凝集）」を起こし、比表面積が急激に低下してしまいます（活性の高いガンマ-アルミナから、不活性なアルファ-アルミナへ相転移する）。
• ランタンの役割:アルミナにあらかじめ数％のランタンをドープ（添加）しておくと、アルミナとの間に安定な複合酸化物（ランタンアルミネート：LaAlO3 や LaAl11O19 など）が形成されます。これが構造的な「杭（ピラー）」として働き、高温下でもアルミナの結晶成長や相転移を強力に抑制し、比表面積の縮小を防ぎます。

2. 貴金属（触媒活性種）の凝集防止と高分散の維持

　触媒の性能は、貴金属がどれだけ細かく（高分散に）表面に存在しているかで決まります。

• 上記の通りランタンがアルミナの骨格を熱から守ることで、その上に担持されている白金やパラジウムなどの貴金属粒子が熱で動き回って合体してしまう（シンタリング）のを防ぎます。これにより、過酷な耐久試験や長期間の使用（10万マイル以上）の後でも、初期の高い浄化性能を維持できるようになります。

3. セリア・ジルコニア系助触媒との協奏効果（酸素ストレージ能の安定化）

　排ガス中の空燃比（酸素濃度）の変動を緩和するため、主要な助触媒としてセリア（CeO2）とジルコニア（ZrO2）の固溶体が使われますが、ここにもランタンが深く関与しています。

• セリア-ジルコニア系酸化物にランタンを複合化させることで、酸素を吸蔵・放出する能力（OSC：Oxygen Storage Capacity）の熱劣化を防ぎ、レドックス（酸化還元）サイクル寿命を飛躍的に向上させます。
• また、低温時（エンジン冷間時など）における有害成分（COやHC、NOx）の浄化活性を高める効果も報告されています。

4. 表面塩基性と化学的特性の調整

　ランタンの添加は、触媒表面の酸・塩基特性（特に塩基性サイト）を変化させます。

• これにより、排ガス中の有害ガス（NOxや酸性ガス成分）の吸脱着挙動が調整され、不要な副反応やコーキング（炭素析出）を抑える効果を発揮します。

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　ランタン自身が主たる化学反応を起こすわけではありませんが、「過酷な熱環境に晒されても触媒の骨格（アルミナ）と貴金属の微細構造を崩壊させないための守り神」として、現代の排ガス浄化触媒の耐久性と信頼性を裏から支える不可欠な元素となっています。

ランタンフリー化にはどんなものがあるのか

　自動車の排ガス浄化触媒や関連する環境・車載技術の分野において、供給リスク（レアアースの資源偏在や地政学的リスク）やコスト削減を背景に、ランタンなどの希土類（レアアース）を使用しない「ランタンフリー化（およびレアアースフリー化）」の技術開発が進められています。

1. アルミナ担体の耐熱化における代替元素（ランタンの置き換え）

　触媒の骨格であるアルミナの高温焼結を防ぐため、ランタン（ランタナ）の代わりに以下の元素や複合化技術が用いられます。

• アルカリ土類金属（バリウム・ストロンチウム・カルシウム）:
  • バリウム（Ba）やストロンチウム（Sr）などをアルミナに添加することで、高温下で安定なヘキサアルミネートなどの複合酸化物を形成させ、ランタンと同様に比表面積の低下や相転移を抑制します。
• シリカ（ケイ素）やジルコニアの導入:
  • アルミナにシリカ（SiO2）を固溶させたり、ジルコニア（ZrO2）と複合化させたりすることで、熱的な結晶成長を防ぐ耐熱性コート層を構築する手法です。

2. 完全にレアアース・貴金属に依存しない触媒設計

　ランタンやセリウムといった希土類、あるいはプラチナなどの貴金属自体を排除し、安価な卑金属のみで同等以上の性能を発揮させる次世代触媒の開発も進んでいます。

• ペロブスカイト型酸化物:
  • レアアースを使わない遷移金属主体のペロブスカイト酸化物などを活用し、酸素の吸放出や酸化還元活性を持たせる研究が行われています。
• 非貴金属・非レアアース系合金触媒:
  • 例えば、ニッケル（Ni）、銅（Cu）、マンガン（Mn）などを組み合わせたナノ多孔質酸化物触媒など、レアメタルやレアアースを一切使わずに排ガスを浄化する技術が提案されています。

3. 車載分野（触媒以外）におけるランタンフリーの動向

　自動車の他の基幹部品においても、ランタンやその他のレアアースに依存しない設計への置き換えが進んでいます。

• 車載用電池（ニッケル水素電池からの脱却）:
  • かつてハイブリッド車などで多用されたニッケル水素電池の負極（水素吸蔵合金）にはランタンやミッシュメタルなどのレアアースが不可欠でしたが、現在はより高容量かつランタンフリーなリチウムイオン電池や、次世代のナトリウムイオン電池への移行が進んでいます。
• 駆動モーター（磁石の代替）:
  • モーターの高効率化において、ネオジムやジスプロジウムなどのレアアース磁石を使用しないフェライト磁石や、マグネットを一切使用しない同期リラクタンスモーター（SynRM）などの採用・検討が広がっています。

　ランタンフリー化は、単なるコストダウンだけでなく、サプライチェーンのレジリエンス（供給網の強靭化）を高めるための重要な技術として位置づけられています。

シリカやジルコニアで代替できるのはなぜか

　シリカ（SiO2）やジルコニア（ZrO2）がランタンの代わりにアルミナの耐熱化（安定化）を行えるのは、ランタンと同様に「アルミナの高温での結晶相変化や粒子の凝集（焼結）を物理的・化学的にブロックする能力」を持っているためです。

1. シリカ（SiO2）の場合：表面のネットワーク形成

• シリカ-アルミナの複合化: アルミナにシリカを少量添加すると、アルミナの表面に安定なシリカのネットワークや薄い層（シリカ-アルミナ固溶体）が形成されます。
• イオン拡散の抑制: これがアルミナ表面の原子やイオンの移動（表面拡散）を強力に阻害するため、排ガスなどの高温に晒されても比表面積の縮小や細孔の潰れを防ぎます。
• 相転移の防止: 活性の高いガンマ-アルミナから、不活性なアルファ-アルミナへの結晶相転移温度を引き上げることで、長時間の高温耐久性を維持します。

2. ジルコニア（ZrO2）の場合：物理的なピラー（杭）効果

• 高い耐熱性と安定性: ジルコニア自体が非常に融点が高く、熱に対して極めて安定な酸化物です。
• 結晶粒成長の抑制: アルミナのなかにジルコニアの微粒子が分散・複合化することで、ジルコニアが物理的な「杭（ピラー）」や「障壁」として機能します。これにより、隣り合うアルミナ粒子同士が接触して合体・成長する（焼結する）のを機械的に妨げます。

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　ランタンが担っていた「アルミナの骨格を熱から守るアンカー役」を、シリカは表面の化学的ネットワークで、ジルコニアは物理的な障壁（分散粒子）としてそれぞれ代替できるため、ランタンフリーの耐熱担体として利用されています。