京都大学的北川宏教授等人正在探索将五种以上的金属元素均匀混合制成的多元素合金应用于催化剂。在全球脱碳的趋势下，要高效地合成备受关注的氢气，或者将温室气体二氧化碳（CO2）和甲烷转化为有用资源，高性能催化剂不可或缺。多元素催化剂的开发将推动实现日本政府立下的2050年碳中和目标。
目前已开发出每年能试制一万种合金的高速实验装置（供图：京都大学北川宏教授）
此次的研究对象是“高熵合金”。这种合金比现有材料便宜，预计可以实现更高性能的催化剂。
目前，促进化学反应的催化剂材料大多使用每克价值数千至数万日元的贵金属。例如，用于水制氢设备的催化的主要材料“铱”，价格就比黄金高出数倍。这也是制氢成本居高不下的主要原因。
虽然需要寻找替代材料，但即使使用廉价材料制作出催化剂，也存在性能下降的问题。为此，研究人员关注到了高熵合金，最终获得了颠覆以往常识的成果。
北川教授介绍说，“我们发现，将（作为催化剂的）性能较差的金属和性能较好的金属混合后，其性能会大幅提升”。
研究人员在能提高氢气制造效率的铱等铂族合金中掺入银、金等催化性能较差的元素，结果发现其催化性能比单独使用铂族合金提高了约4倍。由于减少了昂贵的铂族元素的比例，同时又提高了性能，因此这种混合金属有望成为催化剂领域的“游戏规则改变者”。
高熵合金的概念自2004年被提出来以来，就因为它可以根据元素的组合表现出独特的特性而受到研究者们的关注。
北川教授着眼于催化剂的应用，正在环境省的研究开发事业中与企业和其他大学合作推动实用化。研究人员着眼于脱碳方面的应用，其中一个值得关注的对象是稻草。将稻草埋入水田会成为肥料，但稻草发酵后会向大气中释放温室效应比二氧化碳（CO2）高约25倍的甲烷。
回收稻草，并通过催化反应将其转化为丙烷等沼气。有利于减少温室气体的排放，以及实现地区的资源循环。参与该项目的久保田公司正在探讨在秋田县大潟村进行验证实验。
研究人员还计划减少用于汽车尾气净化催化剂的“铑”的用量。铑每克价格高达3万日元。北川教授的研究团队正在与汽车制造商等合作研发，目标是将铑的用量减少到“五分之一”。原材料的成本尚未公开，但“已经开发出由5种元素左右构成的材料”（北川教授），预计到2030年可以实现实用化。
高熵合金按照组合方式的不同，种类能达数百万、数千万之多。然而并不是所有合金都具有优异的催化性能。其中还有像“水和油”一样难以混合到一起的元素。
北川教授开发了一种能以每年约1万种的极高速度制造合金的装置，正在利用机器学习来高效地探索材料。最初是随机试制合金，但随着让机器学习多种试制品的性能，材料的设计指南变得清晰起来。现在，发现优秀新材料的例子也越来越多。
在蓄电池研究方面取得了成果
将多种元素混合制成新材料的开发史可以追溯到公元前3000年左右。最初，人们在铜中掺入锡使其变硬，制成了青铜，开始用于武器和生活用具。之后，在铁中掺入微量的碳制成了钢，在工业界普及开来。长期以来，多元素化的主要目的是改变金属的物理性质。
近年来，其应用领域不断扩大，改变金属的电化学性质，或导入金属以外的氧化物或陶瓷中的事例也在不断增加。
新一代锂离子电池“全固态电池”的第一人、东京工业大学的菅野了次特命教授等人组成的研究团队最近在美国科学杂志《Science》上发表了一种材料。通过将全固态电池的核心材料多元素化，提高了其性能。催化剂和蓄电池都对实现碳中和至关重要。多元素将成为面向2050年研发的一个关键词。
日文：土屋丈太、《日经产业新闻》、2023/7/21
中文：JST客观日本编辑部
