落雷からヒントを得たエコフレンドリーな反応器が空気と水をアンモニアに変換(Taking a cue from lightning, eco-friendly reactor converts air and water into ammonia)

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2024-12-19 バッファロー大学(UB)

バッファロー大学(UB)の研究チームは、空気中の窒素と水からアンモニアを生成する環境に優しいプラズマ電気化学反応器を開発しました。この新技術は、従来のハーバー・ボッシュ法に比べ、室温・常圧でのアンモニア合成を可能にし、二酸化炭素排出を削減します。研究者たちは、雷が窒素を固定する自然のプロセスに着想を得て、プラズマで窒素酸化物を生成し、それを銅-パラジウム触媒を用いてアンモニアに変換する2段階の反応器を設計しました。この方法は、持続可能なアンモニア生産の実現に向けた重要な一歩とされています。

<関連情報>

プラズマ電気化学アンモニア合成におけるNOxHy混合反応物質の反応経路制御 Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis

Xiaoli Ge,Chengyi Zhang,Mayuresh Janpandit,Shwetha Prakash,Pratahdeep Gogoi,Daoyang Zhang,Timothy R. Cook,Geoffrey I.N. Waterhouse,Longwei Yin,Ziyun Wang,and Yuguang C. Li
Journal of the American Chemical Society  Published: December 12, 2024
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858

Abstract

 

落雷からヒントを得たエコフレンドリーな反応器が空気と水をアンモニアに変換(Taking a cue from lightning, eco-friendly reactor converts air and water into ammonia)

Electrochemical activation of dinitrogen (N2) is notoriously challenging, typically yielding very low ammonia (NH3) production rates. In this study, we present a continuous flow plasma-electrochemical reactor system for the direct conversion of nitrogen from air into ammonia. In our system, nitrogen molecules are first converted into a mixture of NOx species in the plasma reactor, which are then fed into an electrochemical reactor. To selectively convert the generated NOx species into NH3, we employed a graph theory approach combined with first-principles calculations to comprehensively enumerate all possible pathways from N2-to-NH3, pinpointing key intermediates (NH2* and NO*). A series of bimetallic catalysts was then designed to target the optimal adsorption and conversion of the limiting intermediate in the NOx-to-NH3 pathway. Using an optimized CuPd foam catalyst, we demonstrated an ammonia production rate of 81.2 mg h–1 cm–2 with stability over 1000 h at an applied current of 2 A.

0505化学装置及び設備
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