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

使用 H2O 作为质子源将 NOx 电催化还原为 NH3

• 批准号: 22K14541
• 负责人: 井口 翔之
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14541/
• 关键词: アンモニア; 窒素酸化物; 電解還元; SPE電解

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．

本研究旨在构建一种电解反应系统，直接将氮氧化物还原为氨，从而实现氮循环（氨的利用），而不需要通过氮分子。为了通过室温下驱动的电解反应活化并选择性地将氮氧化物还原为氨，有必要开发合适的电解系统和能够抑制竞争反应的阴极催化剂。在本研究开始时，我们研究了使用集成 Nafion 膜、阳极和阴极的膜电极组件通过固体聚合物电解质 (SPE) 电解合成氨。使用在炭黑载体上负载Pt、Ir、Ru等贵金属的阴极催化剂，向阴极室供给一氧化二氮（N2O）的稀释气体，进行恒电位电解，以维持恒定的电压。阴极电位．结果，虽然确认N2O在反应中被消耗，但产生的氨量仅为微量。据认为，消耗的大部分 N2O 被还原为氮气 (N2)，即使产生氨，也被认为会被强酸性 Nafion 膜吸收。接下来，我们研究了使用氢氧化钾（KOH）水溶液作为电解质的碱性电解系统。使用含有过渡金属元素的络合物作为阴极催化剂，向阴极室供给一氧化氮(NO)稀释气体，进行恒电位电解，使阴极电位保持恒定。结果，我们发现在与正极接触的KOH电解液中产生了氨。根据色纸简单定量测定，150mL电解液中氨的最大产生量小于10mg/L。