共焦点型X線分析装置による常温常圧アンモニア合成の反応過程の解明

本研究は、(1)複数の物質が複合したり内部に組成分布があるような試料について、その構成や分布を分析することのできる共焦点型光学配置のX線分析装置を開発し、化学反応の観察・解析に用いる。(2)窒化鉄と炭酸水との反応による常温常圧アンモニア生成反応の反応過程について、(1)の装置を用いながら観察し、結晶構造や酸化数の変化、分布等の観察により理解を進めアンモニア生成効率を向上させるための知見を得る、という目的で進めている。 まず(1)については共焦点型X線回折装置の設計を行い、従来より空間分解能を向上させるため焦点サイズの小さな集光素子（ポリキャピラリレンズ）について検討した。しかし強度を高くしようとするとビームの角度発散によりXRDパターンの角度分解能が低下する。このため、ポリキャピラリの角度発散は大き目に設計するものの、これにピンホールを組み合わせることで角度発散vs強度のバランスを調整可能とすることとした。ほかに、検出系を2θ走査しながら信号を計測するための制御システムの構築を進めた。 (2)については、(1)のX線装置による評価に先立ち可能な検討を進めた。反応条件による速度や物質量の変化の確認から、反応機構の解明、反応の促進方法について検討を行った。物質収支を確認して化学量論性を評価するとともに、反応速度の温度依存性から活性化エネルギーを求めた。また窒化鉄の格子定数の変化を確認し、それらの結果、侵入型化合物である窒化鉄の格子間からN原子が拡散、表面まで移動してH原子と反応すると解釈できることを示した。さらに反応系に炭酸塩やアルミナを添加すると反応速度およびアンモニア生成量が増加することを確認し、その機構として炭酸水素イオン濃度の増加や、また窒化鉄表面への炭酸鉄の析出抑制などの現象を予想し、考察することができた。