イオン液体に金属錯体を担持した革新的アンモニア合成システムの開拓

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アンモニアは我々の生活に欠かせない化合物であり、肥料や衣服の原料として利用される。このアンモニアは、工業的にはハーバー・ボッシュ法によって、高温高圧条件下で、化石燃料に由来する水素ガスと窒素ガスを反応させることにより生産しており、環境負荷が大きい。一方で、自然界に存在するニトロゲナーゼは、常温常圧で窒素からアンモニアへの変換反応を達成している。このニトロゲナーゼのように、窒素分子を変換することの出来る金属錯体, trans-[Mo(depe)2(N2)2] (depe= Et2PCH2CH2Et2)を使用し、電気化学的アンモニア合成反応の評価を行った。当該年度も引き続き、前年度試作した電気分解セルの改良を行った。作用電極には、イオン液体,1-butyl-1-methylpyrrolidinium tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate,に金属錯体を溶解させ、カーボンペーパーに塗布したものを用いている。前年度、金属錯体としてチタノセンジクロリドを使用した場合、アンモニア生成に対する電流効率1.2%であった。当該年度、金属錯体としてtrans-[Mo(depe)2(N2)2]を使用したとき、電流効率は0.013%に低下していることが明らかとなった。Mo錯体当たりのアンモニア収率は77%であった。水の電気分解の延長線上で、窒素分子からアンモニアへと変換できたことに意義がある。イオン液体中でのtrans-[Mo(depe)2(N2)2]の構造や電気化学的挙動を理解するため、定電位電解により一電子酸化させた状態でのラマン測定、FT-IR測定を行った。一電子酸化させた場合、THF/イオン液体の混合溶媒では、窒素分子で架橋した二核構造を形成しているのに対し、イオン液体のみを溶媒として使用したとき、単核構造を安定化していることを明らかにした。