アンモニア合成をより「グリーン」に (Making ammonia ’greener’)

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2019/1/11 アメリカ合衆国ケース・ウェスタン・リザーブ大学(CWRU)

・ CWRU が、低温度・低圧下、プラズマを使用して窒素と水からアンモニアを合成する新プロセスを開発。

・ 同新プロセスは、開発者にちなみ「レナー-サンカランプロセス」と称される。高温度・高圧下のアンモニア合成手法であるハーバー-ボッシュプロセスでは必要な水素や金属触媒を使用せずに、研究室でのアンモニア合成に成功した。

・ 固体、液体、気体に続く物質の第 4 番の状態と言われる、陽イオンと電子から構成されるイオン化した気体のプラズマが、室温下で窒素分子の化学結合を活性化させる。

・ 現在、商用のアンモニアはハーバー-ボッシュプロセスにより高温下の鉄触媒使用により窒素と水素から生成されている。今回、このプロセス以前に開発された、窒素と酸素から硝酸を合成するノルウェーのビルケン-エイデプロセスより、エネルギー集約的なプラズマ利用の着想を得た。

・ 同新プロセスでは、ビルケン-エイデプロセスと同様にエネルギーを多量に使用するが、将来的には再生可能エネルギーを統合することでこれを解決し、最終的にはハーバー-ボッシュプロセスを代替する可能性もあると考える。

・ 同新プロセスでは、プラズマガスと水の表面との界面でアンモニアが合成される。固体金属触媒を使用しないことが、不要な水素を生成せずにアンモニアが得られる要因の一つと考える。

・ 現時点で合成できるアンモニアは少量で、エネルギー効率ではハーバー-ボッシュプロセスに劣る。今後も同技術の最適化を継続し、再生可能エネルギーを利用したより小規模なアンモニア合成工場の実現の可能性を探求する。

URL: https://thedaily.case.edu/making-ammonia-greener/

(関連情報)

Science Advances 掲載論文(フルテキスト)

Catalyst-free, highly selective synthesis of ammonia from nitrogen and water by a plasma electrolytic system

URL: http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaat5778

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

There is a growing need for scalable ammonia synthesis at ambient conditions that relies on renewable sources of energy and feedstocks to replace the Haber-Bosch process. Electrically driven approaches are an ideal strategy for the reduction of nitrogen to ammonia but, to date, have suffered from low selectivity associated with the catalyst. Here, we present a hybrid electrolytic system characterized by a gaseous plasma electrode that facilitates the study of ammonia formation in the absence of any material surface. We find record-high faradaic efficiency (up to 100%) for ammonia from nitrogen and water at atmospheric pressure and temperature with this system. Ammonia measurements under varying reaction conditions in combination with scavengers reveal that the unprecedented selectivity is achieved by solvated electrons produced at the plasma-water interface, which react favorably with protons to produce the key hydrogen radical intermediate. Our results demonstrate that limitations in selectivity can be circumvented by using catalyst-free solvated electron chemistry. In the absence of adsorption steps, the importance of controlling proton concentration and transport is also revealed.

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