脱炭素社会実現のカギを握る「ベースメタル触媒」の新たな可能性

脱炭素社会の実現に向けて、さまざまな触媒技術の研究開発が進められています。なかでも、脱炭素化の切り札として注目されているのが、メタネーション＜水素（H₂）と二酸化炭素（CO₂）を反応させ、都市ガスの主成分であるメタン（CH₄）を人工的に合成する技術＞、水素製造＜水（H₂O）を電気分解し、エネルギーキャリアである水素（H₂）を製造する技術＞、燃料製造＜水素（H₂）と二酸化炭素（CO₂）を原料に、輸送用燃料などの合成燃料（e-fuel）を製造する技術＞などです。このような変換反応を効率化するカギとなるのが、ニッケル（Ni）や銅（Cu）を主成分とする「ベースメタル触媒」です。本記事では、ベースメタル触媒の基礎に加え、実用化の成否を左右する触媒設計のなかで「粒子設計」の技術、さらにベースメタル触媒の活用法と今後の可能性を紹介します。

触媒をひと言で表すなら、「目的とする化学反応を効率よく進行させる道具」です。多くの化学反応には、反応が進むために必要な「活性化エネルギー」がありますが、触媒を用いることで、より小さなエネルギーで反応を進められます。その結果、同じ温度・同じ圧力でも反応が進みやすくなり、目的の生成物を効率よく得やすくなります。さらに触媒は、反応の前後で変化しないため、反応の環境に合わせて適切に設計された触媒は劣化しにくく、触媒寿命が長くなって反応を繰り返せる点も特徴です。

例えばメタネーションでは、工場などから排出される化石燃料由来の二酸化炭素を回収し、再生エネルギー由来の水素と触媒を加えて約500℃の高温で反応を進める「サバティエ反応（Sabatier reaction）」を用いる方法が一般的です。ここで合成されたメタンは再び工場などに供給され、メタンの燃焼で生じた二酸化炭素も再回収されます。

つまり、メタン合成のために回収した二酸化炭素と、合成メタンの燃焼で生じる二酸化炭素は、理論上は同量になります。そのため、サイクル全体として新たな化石燃料由来の二酸化炭素を増やさない「カーボンニュートラル」が実現できる、というのがメタネーションの基本的な仕組みです。

メタネーション自体は古くから知られていましたが、近年はナノ粉合成技術や担持技術の発展により、サバティエ反応に用いられるニッケル触媒の低温での反応性向上など、高効率な生産技術が確立しつつあります。

メタネーションで用いられるニッケル触媒のように、ベースメタル触媒を実装可能な技術として成立させるうえで、しばしば議論の中心となるのが「粒子の設計」です。触媒の反応性は、用いる元素の種類だけで決まるわけではありません。触媒粒子サイズや粒度分布、比表面積、分散・凝集のしやすさ、表面の酸化状態など、さまざまな特性が、反応の効率や安定性に強く影響するためです。

しかし、ここには大きな課題が存在します。通常、触媒粒子をナノレベルまで微細化して比表面積を増やすほど、単位重量あたりの活性点が増え、原料を目的物へ変換する効率（転化率）は高まります。しかし、金属を単体の微粒子として用いると、反応中の熱によって微粒子同士が凝集・粗大化する「焼結（Sintering）」が起こり、触媒活性が急激に低下することがあります。

つまり、「高活性を狙って微粒子化したい」という要請と、「凝集により扱いにくくなる」という制約の間で、バランスを取る必要があります。こうしたNiやCuなど焼結温度が低い触媒特有の課題に対して重要になるのが、触媒を細かく均一に分散させる土台となる「担体」の存在です。

代表的な担体材料としては、アルミナ（Al₂O₃）やシリカ（SiO₂）、活性炭などが知られています。活性種（金属ナノ粒子など）を担体表面に固定化して担持触媒を調製する手法としては、含浸法（impregnation）が用いられます。

そのため、目的とする反応に合わせて、触媒の粒子特性をどのレベルで制御し、品質や量産時の安定性、耐久性をどのように設計するかが、ベースメタル触媒の実用性を左右します。言い換えると、材料開発の論点は「金属種の選択」だけでなく、「粉体をどう設計し、安定的に扱える形にするか」へと広がっているのです。

コラム｜分散性と含浸性に優れたニッケルスラリーの可能性～メタネーション技術とスラリー技術の応用可能性

ベースメタル触媒の活用例は、メタネーションにとどまりません。例えば、メタンと二酸化炭素という2種類の温室効果ガスから、化学原料となる一酸化炭素（CO）と水素を生成する「ドライリフォーミング（Dry Reforming of Methane：DRM）」でも、ニッケル／酸化マグネシウム（MgO）などの担体にニッケルを担持した触媒（Ni/MgO触媒）をはじめ、担持触媒が広く検討されています。

また、水素を効率的に輸送・貯蔵する「水素キャリア」としてアンモニア（NH₃）を利用する動きもあり、アンモニア分解（クラッキング）による水素生成などの反応で、セリア（CeO₂）を担体としたニッケル触媒やニッケル系合金触媒の活用が注目されています。水素利用への関心が高まるほど、こうした変換プロセスを支える触媒技術の重要性も増していきます。さらに、厳密にはレアメタルに分類されるものの、コバルト（Co）も反応系によっては有望な触媒候補として、水素製造や二酸化炭素の有効利用に向けた研究が進められています。

比較的資源量が豊富なベースメタルを用いる触媒の大きな利点は、コスト面での優位性や供給の安定性に加え、採掘・精錬の技術やサプライチェーンがすでに確立している点にあります。材料が入手しやすいことは、研究開発から量産までの計画を立てやすくするうえでも重要です。

ベースメタル触媒は、脱炭素社会の実現と次世代のクリーンエネルギーの開発を支える基盤技術であり、省エネルギー化や副生成物の抑制、資源の有効利用にもつながる可能性を持っています。その材料の選択やナノレベルでの粒子のつくり込み、さらには実装のための担持技術の設計は、求める性能の達成に欠かせません。

X-MININGは、こうした検討の入口として、素材情報の把握や比較検討の手がかりを提供し、次の共創につなげるためのプラットフォームを用意しています。ベースメタル触媒を「可能性」から現実の「選択肢」へ引き上げるために、材料・粉体・プロセスの接点で議論を深めていくことが、脱炭素社会の実現に役立っていくはずです。

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