亜酸化窒素を無害化する貴金属を用いない電極材料の開発~温室効果ガス排出抑制への貢献に期待~

2026-05-27 北海道大学,工学院大学,高輝度光科学研究センター,佐賀県立九州シンクロトロン光研究センター,近畿大学

Hokkaido Universityを中心とする共同研究グループは、温室効果ガスである亜酸化窒素(N2O)を無害化できる、貴金属を用いない高性能電極触媒を開発した。N2OはCO2の約300倍の温室効果を持ち、さらにオゾン層破壊にも関与する重要な環境負荷物質である。従来の電解N2O浄化法では白金やパラジウムなど高価な貴金属が必要だった。本研究では、硫黄を含むジチオレン配位子と鉄・コバルト・ニッケルなど比較的安価な金属を組み合わせた金属錯体を炭素粉末に固定化し、室温・常圧・水溶液条件下でN2O還元性能を評価した。その結果、コバルト錯体系が特に高い触媒活性を示し、ターンオーバー頻度860 h⁻¹という、分子系非貴金属電極触媒として世界最高レベルの性能を達成した。さらに、放射光X線吸収・発光分光解析と量子化学計算により、不安定なCo(I)種が反応活性中心として機能していることを解明した。本成果は、温室効果ガス排出抑制や持続可能な環境浄化技術への応用が期待される。

亜酸化窒素を無害化する貴金属を用いない電極材料の開発~温室効果ガス排出抑制への貢献に期待~
図1. N2Oの特徴と本研究で開発した電極触媒による電気化学N2O浄化

<関連情報>

カーボン担持ビスジチオレン配位金属錯体により触媒される水中での電極触媒的亜酸化窒素還元 Electrocatalytic N2O Reduction Catalyzed by Carbon-Supported Metal–Bis(diaryldithiolene) Complexes in Water

Masaru Kato,Naoto Kuwamura,Zhengwei Ma,Haruto Tsukamoto,Ken Tokunaga,Taichi Kobayashi,Takeshi Watanabe,Hiroyuki Setoyama,Hiroyuki Asakura,Kenji Ishii,and Ichizo Yagi
Journal of the American Chemical Society  Published: May 3, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c03398

Abstract

We report the electrocatalytic nitrous oxide reduction reaction (N2ORR) activity of iron, cobalt, and nickel complexes with a noninnocent ligand of diaryldithiolene in alkaline media. At −0.3 V vs RHE, the cobalt complex on a carbon black of Ketjenblack (CoL2/KB) showed the highest N2ORR activity with a turnover frequency (TOF) of (3.6 ± 0.5) × 102 h–1, 98% Faradaic efficiency to N2 and almost no degradation over 24 h. At −0.6 V vs RHE, CoL2/KB exhibited a TOF of (8.6 ± 1.1) × 102 h–1, surpassing those of previously reported molecular-based electrocatalysts for the N2ORR. X-ray absorption spectroscopy and density functional theory calculations revealed that the square-planar CoI–S4 coordination environment with high Co–S covalency serves as the active site with high N2ORR activity. This work will guide us in designing and developing precious metal-free electrocatalysts with high N2ORR activity.

0505化学装置及び設備
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