エグゼクティブサマリー
- 触媒とは、それ自体は消費されることなく活性化エネルギーを低下させることで化学反応を加速させる物質です。触媒は数千年にわたって人類の活動を支えており、肥料や燃料から命を救う医薬品に至るまで、あらゆるものを製造するための基盤となっています。
- 持続可能な化学、いわゆる「グリーンケミストリー」への関心が高まる中、触媒はエネルギー消費の最小化、環境に優しい原料の採用、そして材料のライフサイクル管理を実現するための極めて重要なツールとして浮上しています。
- 白金やパラジウムといった貴金属は、コストが高く希少であり、環境負荷も大きいため、研究者は鉄、コバルト、ニッケルといった、より豊富で毒性の低い非貴金属の遷移金属へと目を向けています。しかし、これらの材料には、反応性、選択性、耐久性といった課題が伴います。
- CAS Content Collection™の分析によると、2012年から2022年にかけて、非貴金属触媒の研究は増加傾向にあり、その研究領域は電極触媒、光触媒、均一系触媒、バイオ触媒という4つの主要なサブフィールドにまたがっています。
- サステナビリティに対する企業や政府の取り組みが強化される中、この分野は、有機、無機、バイオベースの各領域において、非貴金属ベースの触媒の将来に大きな期待を寄せています。
触媒とは何か、そして触媒は何をするものなのか？
パン作りから 紙の製造まで 、 人類は 何千年もの間、知らず知らずのうちに触媒の力を利用してきました。実際、日常生活におけるほぼすべてのものは、触媒のプロセスを経て製造されています。触媒とは、 反応に必要な活性化エネルギーを低下させることで化学反応を促進する 物質です。触媒は、プロセスの中で消費されたり恒久的に変化したりすることなく、反応速度を速めます。その独自の特性により、燃料や農薬から命を救う医薬品の開発に至るまで、無数の 実社会のアプリケーション において不可欠な存在となっています。
例えば、触媒を用いた最も著名な反応の一つである「ハーバー・ボッシュ法」は、肥料や農業用のアンモニアを工業規模で生産しています。触媒を使用することで、アンモニアの生産コストは劇的に下がり、生産速度も向上しました。現在でも、ハーバー・ボッシュ法はアンモニアの主要な生産方法となっています。
もう一つの例として、自動車の触媒コンバーターが挙げられます。これには白金、パラジウム、ロジウムが使用されており、炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物といった有害化合物の排出を90%削減しています。
持続可能な化学における触媒の役割
サステナビリティは最近の流行語のように感じられるかもしれませんが、持続可能な環境への取り組みは、1987年に国連（UN）が発表した「我ら共有の未来」以来、確固たる議題となってきました。この画期的な報告書は、今日一般的に理解されている持続可能な開発の指針を策定し、その概念を「将来の世代が自らのニーズを満たす能力を損なうことなく、現在のニーズを満たす開発」と定義しました。この定義は、製造されるすべての製品にサステナビリティを組み込むことの重要性を要約しています。
サステナビリティへの関心の高まりは、 持続可能な化学、すなわち「グリーンケミストリー」 への変革的な動きを加速させ、製品やプロセスの設計方法を根本から変えています。この革新的なアプローチは、化学生産における天然資源利用の効率を高めることを目指しています。この目標を達成するために、 3つの重要な道筋 が追求されています。それは、エネルギー消費の最小化、環境に優しい化学物質の採用、そして材料のライフサイクルを効果的に管理することです。これらの手法を通じて、持続可能な化学は、より環境に優しく、資源効率の高い未来への道を切り拓いています。
触媒は、持続可能な実践を追求する上で極めて重要な役割を果たしており、目標達成を促進するための貴重なツールを提供しています。触媒は生分解性プラスチックの創出に貢献し、有害な材料への依存を減らしてきました。さらに、燃料や肥料の生産においても、効率を最適化し廃棄物を最小限に抑えるために不可欠な存在です。触媒の力を活用することで、私たちはサステナビリティを指針として掲げながら、さまざまな分野で驚くべき成果を達成することができるのです。
触媒への需要が急増する中、持続可能なエネルギー生産、産業排出の削減、気候変動への対応といった課題に対処するため、環境に優しい製品への要求が高まっています。 CAS Content Collection™ のデータを用いて、持続可能な触媒研究における現在の研究動向を探り、この分野における主要な進歩に焦点を当てます。
触媒をより持続可能にするために
白金、パラジウム、イリジウムなどの貴金属は、高い安定性や耐熱性といった優れた触媒特性を持つため、広く利用されています。また、ソノガシラカップリング、鈴木・宮浦カップリング、ヘック反応をはじめとする多種多様な化学反応を促進するためにも用いられています。
しかし、貴金属はコストが高く、供給量も限られているため、その有用性は制限されています。これらの貴金属は主に大量の低品位鉱石から得られるため、わずかな量を抽出するだけでも大規模な採掘作業が必要です。この抽出プロセスには多大なエネルギーを要するだけでなく、環境破壊を引き起こす可能性もあります。そのため、触媒用途における貴金属の利用は、環境への影響や持続可能性を考慮し、慎重に判断しなければなりません。
貴金属が抱える経済的・環境的コストの制約と、世界的な触媒需要の増大を背景に、研究者は代替手段の模索を始めています。特に注目されているのが、チタン、鉄、コバルト、ニッケルといった非貴金属（卑金属）の遷移金属です。これらの金属には、貴金属と比較して多くの利点があります。第一に、資源が豊富であり、触媒用途への持続的な供給が可能です。第二に、コスト効率が高く、経済的に実行可能な選択肢となります。さらに、毒性が低いため、製造および使用時のリスクを低減できます。何より、環境負荷が小さく、生態系への悪影響を最小限に抑えられる点が重要です。
非貴金属は有望な代替案ですが、課題がないわけではありません。非貴金属は貴金属よりも反応性が高いことが多く、この反応性が触媒の劣化（耐久性の低下）や、触媒選択性の低下（副生成物の発生による廃棄物の増加やプロセス効率の低下）を招く可能性があります。さらに、非貴金属の特性評価は複雑で困難な場合があります（表1）。
それにもかかわらず、非貴金属を用いた持続可能な触媒の開発は勢いを増しています。CAS Content Collectionのデータによると、2012年から2022年にかけて、非貴金属触媒／触媒作用に関する論文数は大幅に増加しています（図1）。
触媒技術と進歩
過去数十年にわたり、実社会で不可欠な用途に向けて、さまざまな特殊触媒が開発されてきました。これらの触媒は、大きく分けて電極触媒、光触媒、均一系触媒、生物触媒（酵素）の4つのサブカテゴリーに分類されます。
CAS Content Collectionのデータは、非貴金属触媒を用いた持続可能な化学において、電極触媒関連の論文が主流であることを示しています（図2および図3）。電極触媒は、電極そのものとして、あるいは電極表面に塗布された触媒材料として電気化学反応に関与します。従来、電極触媒には白金が広く用いられてきましたが、供給の制限と高コストが課題となり、代替品の探索が進められています。注目すべき例として、コバルト原子を担持した窒素ドープグラフェンが挙げられます。これは、水から水素を生成するための効率的かつ耐久性の高い触媒であることが証明されています。このようなアプローチは、エネルギー生産のための低コストな触媒実現に向けた重要な一歩です。
光触媒とは、半導体材料が光エネルギーを吸収して電子・正孔対を生成し、還元反応や酸化反応を駆動するプロセスです。これは、水素を生成するための水分解や、汚染物質の分解といった反応において、エネルギーや環境問題を解決するために重要です（図4）。しかし、太陽エネルギーのみを用いて水を分解できる非貴金属半導体材料を見つけることは、研究上の大きな課題となっています。この分野では、助触媒や多成分ナノ統合の利用など、さまざまな戦略が検討されています。
白金やパラジウムなどの貴金属は、その高い活性、安定性、汎用性から、均一系触媒においても主流となっています。しかし、均一系触媒において貴金属の代替品を見つけることは、研究者にとって複雑かつ継続的な課題です。これらの触媒が促進する重要な反応に鈴木カップリングがあります。有名な例として、パラジウムフリーの鈴木カップリングを実証したと主張された報告が、後に微量のパラジウム汚染による触媒作用であったことが判明したケースがあります。しかし、ヨウ素、エオシン、テトラブチルアンモニウムヨージドといったラジカル反応開始剤の使用は、この分野で期待されています（図5）。
酵素をベースとした生物触媒は、環境に優しく持続可能な触媒の優れた例です。容易に入手可能な再生可能原料から生産され、有機的で生分解性があり、毒性がなく、穏やかな反応条件下で機能します。生物触媒の重要な潜在的用途として、植物油や脂肪とメタノールをエステル交換反応させることによる、バイオ燃料の持続可能な生成が挙げられます。この反応により、バイオディーゼル（脂肪酸メチルエステル）と副生成物としてグリセロールが生成されます（図6）。生物触媒と金属触媒の組み合わせもまた、有用な分子生産の持続可能性を達成するための新たなアプローチとして注目されています。
変革のための触媒
国連気候変動枠組条約締約国会議（COP27）および国連生物多様性条約締約国会議（COP15）を経て、より持続可能な慣行を取り入れる企業コミットメントが著しく増加しています。化学産業において触媒は依然として不可欠であるため、製品製造の効率と持続可能性を高める新しい触媒概念を模索する機運が高まっています。このニーズを認識し、米国エネルギー省は、触媒の基礎研究を支援することに尽力しています。
過去10年間における持続可能な触媒研究の著しい進歩は、環境に配慮したソリューションの追求が順調に進んでいることを示しています。この市場の潜在能力が完全に発揮されるのはこれからですが、有機、無機、バイオベースの物質を含む幅広い分野において、非貴金属触媒の将来には大きな期待が寄せられています。
持続可能な触媒の未来に関する詳細については、ChemRxVに掲載された最新の論文をご覧ください。
