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計算化学が主導する窒素の光還元反応を駆動力とした新規アンモニア燃料電池の開発

计算化学驱动的氮光还原反应驱动的新型氨燃料电池的开发

基本信息

批准号：
21J12850
负责人：
池田京
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12850/
关键词：
DFT計算 IBO解析低原子価錯体水素分子還元反応

项目摘要

均一系触媒において、窒素分子を還元しアンモニアを合成するには低原子価の金属錯体が必須である。「新規アンモニア燃料電池」の開発にあたり、低原子価金属錯体の生成についての研究を行った。近年、小江らは水溶液中において水素分子を還元剤とした低原子価ロジウム錯体の生成を報告した。彼らの研究では、ロジウム錯体は水素分子と反応することで二つのプロトンを放出し、自身は二電子還元される。水素分子を用いた金属錯体の還元反応の例は、これまでにヒドロゲナーゼのモデル錯体だけにとどまっており、モンサント法など産業利用されている金属錯体においての例はない。そこで、我々は密度汎関数理論(DFT)に基づいた量子化学計算を実行することで、低原子価ロジウム錯体の詳細な反応機構解析を行った。その結果、ロジウム錯体は水素分子と反応し、ロジウム-ヒドリド錯体を経由することで二電子還元された低原子価ロジウム錯体を生成することが明らかとなった。この反応では活性化エネルギーが10kcal/mol未満であり、非常に素早く反応していることを示唆する結果となった。さらに、固有結合軌道(IBO)解析を実行し、ロジウム原子がブレンステッド酸として働くことでロジウム-ヒドリド錯体がヒドリドをプロトンとして放出していることを明らかにした。その際のpKaは3.0であり、酢酸よりも強い酸であることを示した。以上の結果は、水素分子を用いることでアンモニア合成に必要な低原子価金属錯体を容易に生成できる可能性を示しており、窒素分子還元によるアンモニア合成並びにそれを利用した新規燃料電池開発において非常に有用な知見をもたらした。

Homogeneous catalysts are essential for the synthesis of low-atomic metal complexes. The development of "new regulations for fuel cells" and the research on the generation of low-atomic metal faults are carried out. In recent years, the formation of low atomic oxygen molecules in aqueous solutions has been reported. The study of the molecular structure of the complex is based on the molecular structure of the complex, and the molecular structure of the complex is based on the molecular structure of the complex. Examples of reductive reactions of metal complexes in the use of water molecules include the following: The density functional theory (DFT) is used to calculate the quantum chemical properties of low atomic particles. As a result, the molecular structure of the complex is formed by the two-electron reduction of the low-atom complex. The reaction time is 10kcal/mol. In addition, the intrinsic binding orbital (IBO) analysis is carried out, and the atomic structure is separated from the atomic structure. The pKa is 3.0 and the acid is strong. The above results show the possibility of easy generation of low atomic metal complexes necessary for the synthesis of water molecules and the use of new regulations for fuel cell development.