アンモニアを窒素ガスに変換する新たな方法を発見

アンモニアを窒素ガスに変換する新たな方法を発見 化学

ウィスコンシン大学マディソン校の研究チームは、アンモニアを窒素ガスに変換する新たな方法を発見しました。

このプロセスは、炭素系燃料をアンモニアに置き換えるための一歩となる可能性があります。

金属触媒を使用し、エネルギーを必要とするのではなく放出するこの技術の発見は、2021年11月8日付の『Nature Chemistry』誌で報告され、ウィスコンシン大学同窓会研究財団から仮特許を取得しました。

この論文の著者で、ウィスコンシン大学マディソン校の化学者であるJohn Berry氏の研究室で博士研究員をしていたChristian Wallen氏は、「現在、世界は炭素燃料の経済で動いています。二酸化炭素を大気中に放出する炭化水素を燃やしているのですから、決して良い経済とは言えません。私たちには、二酸化炭素を有用な燃料に戻すという、真の炭素循環のためのループを閉じる方法がありません。」と述べています。

2050年までに世界をカーボンニュートラルにするという国連の目標を達成するためには、科学者たちは、炭素以外の元素からエネルギーを生み出す環境に配慮した方法を検討しなければなりません。

ウィスコンシン大学マディソン校のチームは、窒素とアンモニアの相互変換に基づいた窒素エネルギー経済を提案しています。

研究者たちは、白金のような元素であるルテニウムを含む金属触媒にアンモニアを加えると、自然に窒素が生成されることを発見し、興奮しました。

このプロセスを利用すれば、陽子と窒素ガスを副生成物として、電気を作り出すことができます。

さらに、この金属錯体は、酸素に触れることでリサイクルされ、繰り返し使用することができるため、炭素系の燃料を使用するよりもはるかにクリーンなプロセスです。

化学教授で、遷移金属化学の研究に注力しているBerry氏は、「私たちは、窒素を作るだけでなく、これまでにない条件で作ることができることを発見しました。アンモニアから窒素への反応を常温で完結させ、エネルギーを得ることができるというのは、非常に大きなことなのです。」と述べています。

アンモニアは古くから燃料として使用されてきました。

第二次世界大戦中は自動車に使用されていましたし、現在では特に海運業において、ガソリンの代わりにエンジンで燃焼させる方法が検討されています。

しかし、アンモニアを燃焼させると、有害な窒素酸化物ガスが発生します。

今回の反応では、そのような有害な副産物が発生しません。

この反応を、アンモニアとルテニウムを電極表面で反応させる燃料電池に収めれば、触媒を必要としないクリーンな発電が可能になります。

「燃料電池では、入力ではなく電気出力が必要です。私たちは、電圧をかけたり化学物質を加えたりすることなく、室温でアンモニアを窒素に変換する触媒となる化合物を発見しました。これは、私たちが知る限り、初めてのプロセスです。」とWallen氏は言います。

大学院生で論文の著者でもあるMichael Trenerry氏は、「窒素と水素からハーバー・ボッシュ法で大量生産されているアンモニアの流通インフラはすでに確立されています。この技術は、カーボンフリーの燃料経済を可能にするものですが、それはパズルの半分に過ぎません。アンモニア合成の欠点の1つは、アンモニアを作るのに使う水素が天然ガスや化石燃料から得られることです。」と述べています。

しかし、この傾向は変わりつつあります。

アンモニアメーカーは、エネルギーを大量に消費するハーバー・ボッシュ法ではなく、カーボンニュートラルな水の電気分解によって水素原子を供給する「グリーン」アンモニアの製造を試みています。

Berry氏によれば、アンモニア合成の課題がクリアされれば、アンモニアを一般的なエネルギー源や燃料として使用することに多くのメリットがあるといいます。

アンモニアはプロパンのように圧縮可能で、輸送が容易で、貯蔵もしやすい。

アンモニア燃料電池はすでにいくつか存在していますが、この新しいプロセスとは異なり、アンモニアをまず窒素と水素に分解するなど、追加のエネルギーが必要です。

研究グループの次のステップは、この新しい発見を利用した燃料電池の設計方法を見つけ出すことと、必要な出発物質を環境にやさしい方法で作ることです。

「次の課題として考えているのは、水素ガスではなく、水からアンモニアを生成する方法です。夢は、水と空気と太陽光を入れて燃料を作ることです。」とTrenerry氏は言います。

Published by University of Wisconsin-Madison. Michael J. Trenerry et al, Spontaneous N2 formation by a diruthenium complex enables electrocatalytic and aerobic oxidation of ammonia, Nature Chemistry (2021). DOI: 10.1038/s41557-021-00797-w