この記事で分かること

レアアースの代替技術：レアアースフリーの自動車用排ガス浄化触媒

　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でしたが、今回はランタンなどのレアアースを使用しないペロブスカイト型酸化物やナノ多孔質酸化物触媒による排ガス除去に関する記事となります。

なぜペロブスカイト型酸化物で排ガス除去出来るのか

　ペロブスカイト型酸化物（一般式：ABO3）が排ガス（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物など）を浄化できるのは、独自の結晶構造に由来する優れた「酸化還元（レドックス）特性」と「酸素の出し入れ能力」を持っているためです。

1. Bサイト金属による高い触媒活性（酸化・還元能力）

• ペロブスカイト構造のフレームワークにおいて、中心のBサイト（マンガン、コバルト、鉄、銅などの遷移金属）が化学反応の「活性点」として機能します。
• 遷移金属は複数の原子価（酸化数）を容易に行き来できるため、一酸化炭素（CO）や未燃焼炭化水素（HC）を酸化して無害化し、さらに窒素酸化物（NOx）を還元して無害な窒素にする反応を強力に促進します。

2. 酸素欠損と優れた「酸素ストレージ能」

• ペロブスカイト構造は、結晶格子の中に意図的な「酸素の抜け穴（酸素欠損）」を形成しやすい特徴があります。
• 排ガス中の酸素濃度の変動に対し、この格子から酸素を素早く放出したり、逆に吸蔵したり（格子酸素の移動）することができます。これがセリアなどの高価な希土類助触媒と同様の働きをし、効率的なレドックス反応を支えます。

3. 高い耐熱性と構造安定性

• ABO3という頑丈な三次元ネットワークを組んでいるため、高温の排ガス環境（900℃以上）に長時間晒されても、触媒の骨格自体が崩れにくく、活性点が凝集（焼結）しにくい高い耐熱性を備えています。

4. 「スマート触媒」としての動的挙動

• 組成を巧妙に設計することで、過酷な使用環境のなかで内部の活性金属成分が表面に微粒子として自己析出（エクスソリューション）し、酸化雰囲気では再び格子内へ戻るというダイナミックな挙動を示すものもあります。これにより、触媒毒や劣化を抑えながら長期間高い性能を維持できます。

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　貴金属や希少なレアアースを必ずしも使わなくても、遷移金属の多彩な電子状態と、結晶格子全体でのダイナミックな酸素のやり取りを利用できるため、ペロブスカイト型酸化物は環境触媒として優れた排ガス浄化性能を発揮します。

ナノ多孔質酸化物触媒とは何か

　ニッケル（Ni）、銅（Cu）、マンガン（Mn）などのナノ多孔質酸化物触媒とは、プラチナやパラジウムといった高価な貴金属やランタン等のレアアースを一切使わず、安価な卑金属（ベースメタル）を組み合わせてナノレベルの微細な孔（ポア）を無数に持つ多孔質構造にした次世代の環境浄化・化学触媒です。

　貴金属フリー・レアアースフリーでありながら高い触媒性能を発揮するため、排ガス浄化や大気汚染物質の分解技術として注目されています。

主な特徴と優れた点

1. ナノ多孔質構造による「圧倒的な表面積」

• 触媒内部にナノサイズの微細な孔が網の目のように発達しているため、単位重量あたりの比表面積が非常に大きくなります。
• これにより、排ガスなどの流体が触媒内部へスムーズに拡散し、反応ガスが触媒の活性サイト（反応場所）に触れる確率が飛躍的に高まります。

2. 卑金属の組み合わせによる高い酸化還元（レドックス）活性

• マンガン（Mn）: 優れた酸素の吸蔵・放出能力（酸素ストレージ能）を持ち、低温での酸化反応を強く促します。
• 銅（Cu）: 一酸化炭素（CO）や炭化水素（HC）を低い温度から効率よく酸化・無害化する能力に長けています。
• ニッケル（Ni）: 触媒の骨格を安定させつつ、多様な有機化合物やガスの分解をサポートします。
• これらを複合化させることで、それぞれの金属が電子をやり取りする「シナジー効果」が生まれ、単一の金属酸化物では得られない高い触媒活性を発揮します。

3. 低温域での高い浄化性能

• 従来の安価な金属酸化物触媒は「高温にならないと動かない」という弱点がありましたが、ナノ多孔質化と複合化（スピネル構造などの形成）により、エンジン始動直後のような低温（冷間時）でも有害ガスを浄化できる特性を持っています。

4. 圧倒的なコスト削減と調達リスクの回避

• プラチナ（Pt）、パラジウム（Pd）、ロジウム（Rh）などの貴金属や、ランタン・セリウムなどのレアアースを一切含まないため、原料コストが非常に低く、地政学的リスク（資源の偏在）を完全に回避できるという大きなメリットがあります。

主な用途

• 自動車・産業用排ガス浄化: COやHCの低温酸化、NOxの還元補助など。
• VOC（揮発性有機化合物）の分解: 工場や塗装ブースから排出される有害な有機ガスを、比較的低エネルギーで完全燃焼・無害化する用途。
• 燃料電池や空気電池の触媒: 酸素還元反応（ORR）などの電極触媒としての応用。

　ランタンや貴金属に頼らない、持続可能かつ高性能な環境触媒の切り札の一つとして研究開発が進められています。

ナノ多孔質酸化物触媒でなぜ排ガス除去出来るのか

　ニッケル、銅、マンガンなどのナノ多孔質酸化物触媒が排ガス（一酸化炭素や炭化水素など）を効率よく除去できるのは、「ナノ構造による物理的な接触機会の最大化」と「複数金属の相乗効果による化学的な高活性」が組み合わさっているためです。

1. ナノ多孔質構造による「反応機会の最大化」

• 触媒の内部に無数に張り巡らされたナノサイズの微細な孔（ポア）により、単位重量あたりの比表面積が極めて大きくなっています。
• これにより、排ガスが触媒内部へスムーズに拡散し、有害ガス（COやHC）が触媒の表面にある活性サイト（反応場所）に高頻度で接触・吸着できる環境が作られます。

2. 複数金属（Ni, Cu, Mn）のシナジー効果

• マンガン（Mn）や銅（Cu）などの遷移金属を組み合わせることで、それぞれの金属の間で電子がスムーズに移動し、単一の金属酸化物では得られない高い酸化還元（レドックス）活性が生まれます。
• マンガンが酸素のやり取りを助け、銅が一酸化炭素や炭化水素の酸化を強力に促進するという役割分担（シナジー効果）が機能します。

3. 「活性酸素（格子酸素）」の素早い供給

• 酸化物の結晶構造中や表面で酸素が動きやすい状態（高い酸素モビリティ）になっており、材料内部や表面の酸素が、吸着してきた有害なCOやHCに素早くアタックして二酸化炭素や水に酸化（無害化）させます。

4. 低温域でも反応が進む低い活性化エネルギー

• 従来の安価な金属酸化物触媒は「高温にならないと動かない」という弱点がありましたが、ナノ多孔質化と金属間の相互作用によって化学反応に必要なエネルギー（活性化エネルギー）が大幅に低下しています。
• これにより、エンジン始動直後の冷えた状態（低温環境）でも、有害ガスをしっかりと浄化できるようになります。

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　ナノ多孔質酸化物触媒は、「微細な孔でガスを効率よく捕らえ、マンガンや銅などの優れた電子のやり取りと活性酸素の働きによって、低い温度からでも一気に有害成分を酸化・分解する」というメカニズムにより、貴金属やランタンを使わなくても優れた排ガス除去性能を発揮します。