Electrocatalytic reduction of NOx to NH3 using H2O as a proton source

本研究は，窒素分子を経由しない窒素循環（アンモニアの利活用）を実現するために，窒素酸化物を直接アンモニアへ還元する電解反応系の構築を目的としている．室温で駆動する電解反応により窒素酸化物を活性化し，選択的にアンモニアに還元するためには，競争する反応を抑制できる適切な電解系およびカソード触媒の開発が必要である．本研究の開始当初は，ナフィオン（Nafion）膜，アノード，カソードを一体化した膜－電極接合体を用いた固体高分子電解質型（SPE型）電解によるアンモニア合成を検討した．Pt，Ir，Ruなどの貴金属をカーボンブラック担体に担持したカソード触媒を用いて，カソード室に一酸化二窒素（N2O）の希釈ガスを供給し，カソード電位を一定に保つ定電位電解を行った．その結果，N2Oが反応で消費されている様子は確認できるものの，アンモニアの生成量は痕跡程度であった．消費されたN2Oの大部分は窒素（N2）に還元されていると考えられ，アンモニアが生成しているとしても強酸性のNafion膜に吸収されてしまうと考えられる．続いて，水酸化カリウム（KOH）水溶液を電解質として用いてアルカリ系の電解系を検討した．遷移金属元素を中心にもつ錯体をカソード触媒として用い，カソード室に一酸化窒素（NO）の希釈ガスを供給し，カソード電位を一定に保つ定電位電解を行った．その結果，カソードが接触するKOH電解液中にアンモニアが生成することを見出した．呈色紙による簡易的な定量によると，アンモニア生成量は，電解液150mL中に最大でも10mg/L以下であった．

本研究は，窒素分子を経由しない窒素循環（アンモニアの利活用）を実現するために，窒素酸化物を直接アンモニアへ還元する電解反応系の構築を目的としている．室温で駆動する電解反応により窒素酸化物を活性化し，選択的にアンモニアに還元するためには，競争する反応を抑制できる適切な電解系およびカソード触媒の開発が必要である．本研究の開始当初は，ナフィオン（Nafion）膜，アノード，カソードを一体化した膜－電極接合体を用いた固体高分子電解質型（SPE型）電解によるアンモニア合成を検討した．Pt，Ir，Ruなどの貴金属をカーボンブラック担体に担持したカソード触媒を用いて，カソード室に一酸化二窒素（N2O）の希釈ガスを供給し，カソード電位を一定に保つ定電位電解を行った．その結果，N2Oが反応で消費されている様子は確認できるものの，アンモニアの生成量は痕跡程度であった．消費されたN2Oの大部分は窒素（N2）に還元されていると考えられ，アンモニアが生成しているとしても強酸性のNafion膜に吸収されてしまうと考えられる．続いて，水酸化カリウム（KOH）水溶液を電解質として用いてアルカリ系の電解系を検討した．遷移金属元素を中心にもつ錯体をカソード触媒として用い，カソード室に一酸化窒素（NO）の希釈ガスを供給し，カソード電位を一定に保つ定電位電解を行った．その結果，カソードが接触するKOH電解液中にアンモニアが生成することを見出した．呈色紙による簡易的な定量によると，アンモニア生成量は，電解液150mL中に最大でも10mg/L以下であった．