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都市环境学部 环境応用化学科
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可能性は无限大！ 未来社会に欠かせない触媒の技术
効率よく物质を変换するには？
持続可能な社会を作っていく上で、重要な技术となるのが「触媒」です。例えば、础を叠という物质に変换したいとき、化学反応を効果的にかつ少ないエネルギーで促す存在が触媒です。しかし、一般に物质を変换するときには、余计な反応や不必要な物质の生成が同时に起こってしまいます。それらを减らすために、原子や分子がどのように触媒に近づき、反応し、离れていくか、ということを、できるだけ详细に解析する研究が进められています。そのメカニズムが解明されれば、より选択的かつ効率的に物质を変换できるようになり、さらに有効な触媒も作れるようになるでしょう。
触媒は现代の「錬金术」
触媒に用いる金属としては白金やロジウムなど高価なものの方がよく働きますが、コストがかかり、资源量も限られています。そのため、できれば安価で、広く手に入る金属に触媒を置き换えたいのですが、それらの金属は単体で使っても反応が进行しません。そこで、例えば金とパラジウムで合金を作れば、少量の金でも期待する反応が得られるようになります。このように、触媒に适した希少な金属と手に入れやすい金属の配列を原子レベルでうまくコントロールすることは、限られた资源を有効に使うという観点からも重要で、「元素戦略」の一分野として注目されています。
原子?分子レベルの解析が可能に
最适な触媒を作ろうとするとき、配列や组み合わせには无限の可能性があります。これまでは望ましい反応が得られていても、なぜそういう现象が起きているのか、详しく解析することが困难で、経験に頼るところがありました。しかし近年は、原子?分子レベルの解析が可能になったので、反応の様子を见ながら、新しい组み合わせや配列のアイデアを得られるようになっています。
また、スーパーコンピュータで理论的な予测もできるようになってきました。自由自在に分子を组み替え、人类の持続的な発展に寄与する触媒の研究は、今后ますます重要になってくるでしょう。
空気からパンを作る？ 魔法みたいな「触媒」の働き
化学肥料の开発に一役买った触媒
二酸化マンガンに过酸化水素水を加え、酸素を発生させる実験を覚えていますか？ このとき、过酸化水素水を酸素と水に分ける役割をしている二酸化マンガンのような物质を「触媒」と呼びます。有名な例としては、鉄を主成分とする触媒を利用して、窒素と水素からアンモニアを作る「ハーバー?ボッシュ法」があります。この方法のおかげで容易に化学肥料が作れるようになり、小麦など食物の生产性が向上しました。窒素は空気から得られるので、ハーバー?ボッシュ法は「空気からパンを作った」と表现されることもあります。
縁の下の力持ち
化学の観点では、「触媒」とは、分子を自在に组み替えたり、选択的に分子を変化させたりといったことを効率よく行うツールとも言えます。私たちの身の回りにあるほとんどのものに触媒の技术は使われていますが、触媒自体を目にすることはなく、まさに「縁の下の力持ち」の存在です。
例えば、自动车の排気口の中にも触媒として白金やロジウムなどの金属が含まれており、排気中の有害物质を、できるだけ环境に悪影响を与えない物质に変换する役割を果たしています。また、燃料电池、リチウムイオンバッテリーも触媒がないと効率的に动きません。クリーンな水素エネルギーの利用も推奨されていますが、石油や天然ガスから効率よく水素を作る上でも、触媒の技术は大きな役割を果たしているのです。
「グリーンケミストリー」に欠かせない触媒
「资源を有効に使う」「エネルギーを効果的に生み出す」「环境に负荷のかかる物质をなるべく外に出さない」といった3つのポイントを実现するために触媒は必要不可欠です。「环境に优しい合成化学」として、有害物质をなるべく使わない、出さない化学の実践をうたった「グリーンケミストリー」でも、触媒は大きな键を握っているのです。
このように人类が将来も安定して持続可能な社会を作っていくため、触媒はとても重要な技术であり、世界中で研究が进んでいます。
高校生?受験生の皆さんへのメッセージ
理系を志すなら、科学史など学问がどのように発展してきた歴史があるのかについても学んでほしいと思います。ただ数式や知识を覚えるだけではなく、その背景にある研究者たちのストーリーや概念がどのように発展したのかを知って幅広く学问をとらえてもらいたいのです。同じように、理系以外の学问も含めて、いろいろなことに兴味を持ってください。どんなことも、决して无駄なことはありません。
あなたの活跃の舞台は世界です。国际社会に出て活跃するためにも、大学で幅広い教养を身につけ、人间としての魅力を高めてほしいと思います。
梦ナビ编集部监修
