鉄触媒の問題点とルテニウム触媒　どんな問題点があるのか？ルテニウム触媒の活性が高い理由は？

この記事で分かること

鉄触媒の問題点とルテニウム触媒

　触媒とは、それ自身は変化せずに、化学反応を促進させる物質のことです。反応に必要なエネルギーの壁（活性化エネルギー）を下げることで、通常よりも低い温度や短い時間で効率よく反応を進める役割を担っています。

　現代の化学工業のプロセスの約90%に何らかの触媒が関わっていると言われているなど、私たちの生活のあらゆる場面で活躍しています。

　今回はハーバボッシュ法で使用される鉄触媒の問題点とその対策に関する記事となります。

ハーバーボッシュ法の鉄触媒の問題点は何か

　ハーバー・ボッシュ法（Haber-Bosch process）で用いられる鉄触媒（二重促進鉄触媒など）は、100年以上にわたり世界の食糧生産を支えてきた非常に優れた触媒ですが、現代のエネルギー・環境の視点からは主に以下の3つの大きな問題点が指摘されています。

---

1. 反応に「高温・高圧」が必要（最大の弱点）

　鉄触媒が十分な反応速度で機能するためには、通常 400℃〜500℃ という高温が必要です。しかし、アンモニア合成は「発熱反応」であるため、ルシャトリエの原理により、温度を上げると平衡が左（原料側）に寄り、アンモニアの収率が下がってしまいます。

• 問題の連鎖:
  1. 鉄触媒を働かせるために高温にする。
  2. 高温だとアンモニアができにくくなる（収率低下）。
  3. それを無理やり押し戻すために、20MPa（約200気圧）以上の超高圧をかける必要がある。
• 結果: この高温・高圧状態を維持するために膨大なエネルギーを消費し、世界の総エネルギー消費の約1〜2%、CO2排出量の約3%を占める要因となっています。

2. 水や酸素に非常に弱い（被毒の問題）

　鉄触媒は、原料ガス（窒素と水素）に含まれる微量酸素や水蒸気によって容易に活性を失います（触媒毒）。

• 影響: 触媒表面の活性点が酸化されてしまうため、原料ガスを極限まで精製しなければなりません。
• コスト: この高度な精製工程が、プラント全体の建設費や維持費を押し上げる要因の一つとなっています。

3. 低温での活性が低い（水素被毒）

　近年の研究で、鉄触媒を低温で作動させようとすると、触媒の表面が水素原子で覆い尽くされてしまう「水素被毒」という現象が起きることがわかってきました。

• 詳細: 本来なら窒素分子（N2）が触媒にくっついてバラバラになる必要がありますが、低温では水素が先に場所を占領してしまい、窒素が反応できなくなります。これが、鉄触媒を用いた「省エネな低温合成」を難しくしている技術的な壁です。

---

まとめ：鉄触媒の課題

項目	鉄触媒（従来型）	求められる次世代触媒（ルテニウム等）
動作温度	400〜500℃（高い）	100〜300℃（低い）
動作圧力	200気圧以上（非常に高い）	常圧〜数十気圧（低い）
主な課題	莫大なエネルギー消費	希少金属（貴金属）による高コスト

　現在では、これら鉄触媒の弱点を克服するために、より低温・低圧で反応が進むルテニウム触媒や、新しいナノ材料を用いた触媒の研究が世界中で進められています。

低温・低圧で利用できる触媒は何か

　低温・低圧で利用できる代表的な触媒は、「ルテニウム触媒」と、近年開発された「新構造の鉄触媒」です。

　これらは、従来の鉄触媒が苦手としていた「低温での反応」を可能にし、エネルギー消費を大幅に抑えることができます。

---

1. ルテニウム（Ru）系触媒

　現在、次世代触媒の筆頭として実用化が進んでいるのが、貴金属のルテニウムを用いた触媒です。

• 特徴: 窒素の結合をバラバラにする能力が鉄よりもはるかに高く、300℃〜400℃、数〜数十気圧という比較的穏やかな条件で反応が進みます。
• 進化のポイント: ルテニウム単体では「水素被毒（水素が表面を占領する）」が起きやすいのですが、エレクトライド（電子化物）という特殊な材料と組み合わせることで、水素の影響を抑えつつ反応速度を劇的に高めることに成功しています（東京工業大学の研究など）。

2. ヒドリド鉄触媒（最新の研究）

　「安価な鉄」を使いつつ、低温・低圧を実現する画期的な触媒も登場しています。

• 特徴: 2025年に発表された最新の研究では、アルミニウムヒドリド（アルミと水素の化合物）を組み合わせた新しい鉄触媒が、50℃という極めて低い温度からアンモニアを合成できることが示されました。
• メリット: 貴金属を使わないため低コストであり、既存のプラントの効率を大幅に高める「グリーンアンモニア」の切り札として期待されています。

---

触媒の比較まとめ

触媒の種類	反応温度	反応圧力	メリット / デメリット
従来の鉄触媒	400~500℃	200気圧~	安価だがエネルギー消費が甚大
ルテニウム触媒	300~400℃	数十気圧	高活性だが貴金属のため高価
ヒドリド鉄触媒	50~350℃	常圧付近~	安価で超省エネ。実用化が期待される

なぜルテニウム触媒の活性が高いのか

　ルテニウム（Ru）の活性が高い最大の理由は、「窒素分子の強固な結合を切り、バラバラにする能力が極めて高いから」です。

具体的には、以下の3つのポイントが挙げられます。

1. 窒素分子をバラバラにする力が強い

　アンモニア合成において、最大の難所は窒素分子の三重結合（N ≡ N）を切ることです。ルテニウムは鉄に比べて、この結合を切って窒素原子を表面に吸着させる能力が非常に優れています。

2. 電子を窒素に与えやすい

　ルテニウムは、周囲の素材（担体）から電子を受け取り、それを窒素分子に流し込むことで結合を弱める性質が非常に強いです。特に「エレクトライド（電子化物）」などの電子を与えやすい素材と組み合わせると、活性が劇的に向上します。

3. 最適な「吸着の強さ」

　触媒反応では、反応物がくっつきすぎても離れなすぎてもいけません（サバティエの原理）。ルテニウムは窒素との結合強度が絶妙で、窒素をバラバラにしつつ、生成されたアンモニアをスムーズに引き離すことができるため、効率よく反応が進みます。

---

ルテニウムが窒素分子をバラバラにする力が強い理由は

　ルテニウムが窒素分子をバラバラにする力が強い理由は、主に「電子を供与する能力」と「エネルギー障壁の低さ」にあります。

1. 窒素の結合を弱める「電子の逆供与」

　窒素分子（N≡N）は非常に安定していますが、ルテニウムは自身の持つ電子を窒素分子の「反結合性軌道」という場所に流し込むのが得意です。

　電子がここに送り込まれると、窒素同士の強固な結合が内側から緩み、バラバラになりやすくなります。

2. 遷移状態の安定化

　窒素分子がバラバラになる途中の状態（遷移状態）において、ルテニウムの表面原子が窒素原子を適切な強さで保持します。これにより、結合を切るために必要なエネルギー（活性化エネルギー）を鉄よりも低く抑えることができ、低い温度でもスムーズに分解が進みます。

---

エレクトライドとは何か

　エレクトライド（電子化物）とは「電子そのものが、マイナスイオン（陰イオン）として振る舞う結晶」のことです。

　通常の化合物では、マイナスの電荷は酸素や塩素などの「原子」が担っています。しかし、エレクトライドは結晶構造の中に「カゴ」のような隙間があり、その中に電子が閉じ込められています。

　アンモニア合成において、このエレクトライドが「魔法の素材」と呼ばれる理由は、主に以下の2点にあります。

1. 窒素をバラバラにする「強力な電子ポンプ」

　エレクトライドはアルカリ金属（カリウムなど）と同じくらい「電子を他に与える力」が非常に強い物質です。

• ルテニウムなどの触媒金属と組み合わせると、エレクトライドから金属へ、さらにそこから窒素分子へと電子がドバドバと流れ込みます。
• この電子の注入によって、窒素の強固な結合が劇的に弱まり、低い温度でも窒素をバラバラにすることができます。

2. 「水素被毒」を回避する独自の仕組み

　従来の触媒は、表面が水素で覆われてしまう「水素被毒」が弱点でしたが、エレクトライド（特にC12A7型）には面白い特徴があります。

• 水素を収納する: 触媒表面に溜まった邪魔な水素を、エレクトライドが一時的に自らの「カゴ」の中に吸い込んで片付けてしまいます。
• これによって窒素が反応するスペースが常に確保されるため、低温・低圧でも反応が止まらないのです。

---