窒素と水からのアンモニア直接電解合成のための新規カソードの開発

アンモニアは重要な基礎化学品であり，その需要は年々増加している．効率的なアンモニア合成プロセスを開発する事が出来れば，工業的に極めて意義深い．本研究では，常温常圧の温和な条件で，水と窒素から直接アンモニアを合成するための新規電解合成システムの開発を行った．本年度は，アンモニア電解合成用の電解セルの設計および種々の電極触媒の活性評価を行った．電解セルは，ガス拡散電極を電解液/気相隔膜とし，カソードとアノードの間に中性～塩基性の電解液を液相ポンプにより流通し，カソード室に窒素を流通した．この電解システムを用いて電解を行うことで，アノードの電極触媒/電解質界面で水が酸化されて酸素を生成し，カソードの電極触媒/電解質/窒素の三相界面で窒素が還元されてアンモニアが生成すると期待した．カソード触媒として，種々の炭素担持金属触媒および炭素固定化錯体触媒の活性評価を行った．その結果，鉄，モリブデンおよびルテニウム系のカソード触媒を用いた時に，カソード室出口ガスよりアンモニアが検出された．それらの金属上で窒素が活性化されて還元されて，アンモニアが生成している可能性がある．しかし，それらのカソードを用いた時のアンモニア生成速度は毎時数10 nmolのオーダーであり，極めて低速であった．また，電気化学反応における生成物選択率を示すファラデー効率はいずれのカソードにおいても1％未満であった．より高速かつ選択的にアンモニアを合成可能な新規電極触媒の開発が必要である．

アンモニアは重要な基礎化学品であり，その需要は年々増加している．効率的なアンモニア合成プロセスを開発する事が出来れば，工業的に極めて意義深い．本研究では，常温常圧の温和な条件で，水と窒素から直接アンモニアを合成するための新規電解合成システムの開発を行った．本年度は，アンモニア電解合成用の電解セルの設計および種々の電極触媒の活性評価を行った．電解セルは，ガス拡散電極を電解液/気相隔膜とし，カソードとアノードの間に中性～塩基性の電解液を液相ポンプにより流通し，カソード室に窒素を流通した．この電解システムを用いて電解を行うことで，アノードの電極触媒/電解質界面で水が酸化されて酸素を生成し，カソードの電極触媒/電解質/窒素の三相界面で窒素が還元されてアンモニアが生成すると期待した．カソード触媒として，種々の炭素担持金属触媒および炭素固定化錯体触媒の活性評価を行った．その結果，鉄，モリブデンおよびルテニウム系のカソード触媒を用いた時に，カソード室出口ガスよりアンモニアが検出された．それらの金属上で窒素が活性化されて還元されて，アンモニアが生成している可能性がある．しかし，それらのカソードを用いた時のアンモニア生成速度は毎時数10 nmolのオーダーであり，極めて低速であった．また，電気化学反応における生成物選択率を示すファラデー効率はいずれのカソードにおいても1％未満であった．より高速かつ選択的にアンモニアを合成可能な新規電極触媒の開発が必要である．