水を水素源としたアンモニアのオンサイト合成

• Project/Area Number: 14J09377
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Reaction engineering/Process system
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小川 敬也 東京工業大学, 元素戦略研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: アンモニア合成 / 電気化学 / プロトン伝導

Outline of Annual Research Achievements

本年度は主にMassachusetts Institute of Technologyにおいて研究活動を行った。新規のモリブデン錯体の合成に成功し、水素源と還元剤を加えることによって大気中の窒素を解離し、温和な条件下でアンモニアを合成する性能があることを示した。
そして、反応条件を最適化することで、化学量論比に留まらず、アンモニアが触媒的に合成できることを証明した。また、その新規モリブデン錯体に類似する錯体触媒を合成し、同様にアンモニア合成能があるか無いかを調べた。そして重要な点として、触媒的なアンモニア合成が生じる触媒と、生じない触媒を比較することによって、本研究において合成された新規触媒が、古くから研究されてきている非常に汎用性の高い反応経路によってアンモニアを合成していることを示唆する結果を示した。これまで、温和な条件下での触媒的アンモニア合成は、世界中で３グループしか成功していない。これは、アンモニア合成が非常に特異的な機構でしか合成できず、その機構を発現する触媒が限定的で、機構自体を発現させることが非常に難しかったためである。しかし、今回の発見で汎用性のある反応機構での温和な条件下におけるアンモニア合成が証明されれば、飛躍的にこの分野の研究が進む可能性がある。
この他に、Ru金属間化合物触媒について、新たに触媒合成条件を最適化することで、Ru金属よりも300倍のアンモニア合成活性があることを示した。アンモニア合成の触媒には、活性中心に対する電子供給が大きいことが重要であるが、これまで報告されてきたRu触媒では、電子供給を実験的に確認することができずにいた。それに対し、本研究でのRu金属化化合物の電子供給の程度は大きく、初めて観測することに成功した。これより、前述した高活性が大きい電子供給に起因すると推察できるデータを示した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [Journal Article] Generating novel research ideas using computational intelligence: A case study involving fuel cells and ammonia synthesis (2017)
  • Author(s): Ogawa, T., Kajikawa, Y
  • Journal Title: Technological Forecasting and Social Change Volume: 印刷中 Pages: 41-47
  • DOI: 10.1016/j.techfore.2017.04.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proton Conductivity of Organic-Inorganic Electrolyte for Polymer Electrolyte Fuel Cell (2017)
  • Author(s): Ogawa, T., Tamaki, T., Yamaguchi, T
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 46 Issue: 2 Pages: 204-206
  • DOI: 10.1246/cl.160935
  • NAID: 130005317062
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Assessing the industrial opportunity of academic research with patent relatedness: A case study on polymer electrolyte fuel cells (2015)
  • Author(s): Ogawa, T., Kajikawa, Y
  • Journal Title: Technological Forecasting and Social Change Volume: 90 Pages: 469-475
  • DOI: 10.1016/j.techfore.2014.04.002
• [Journal Article] The proton conduction mechanism in a material consisting of packed acids (2014)
  • Author(s): Ogawa, T., Aonuma, Tamaki, T., T., Ohashi, H., Ushiyama, H., Yamashita, K., Yamaguchi, T.
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 5 Issue: 12 Pages: 4878-4887
  • DOI: 10.1039/c4sc00952e
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Differentiating Grotthuss Proton Conduction Mechanisms by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopic Analysis of Frozen Samples (2014)
  • Author(s): Ogawa, T., Kamiguchi, K., Tamaki, T., Imai, H., Yamaguchi, T
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 86 Issue: 19 Pages: 9362-9366
  • DOI: 10.1021/ac5021485
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] The proton conduction mechanism without water movements in the material containing packed acids (2015)
  • Author(s): Takaya Ogawa, Takashi Aonuma, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita, Takeo Yamaguchi
  • Organizer: Advances in Polymers for Fuel Cells and Energy Devices
  • Place of Presentation: Asilomar Conference Grounds, Monterey in USA
  • Year and Date: 2015-02-08 – 2015-02-11
• [Presentation] The fast proton conduction mechanism without water movements in the electrolyte membrane containing packed acids (2014)
  • Author(s): Takaya Ogawa, Takashi Aonuma, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi, Hiroshi Ushiyama, Koichi Yamashita, Takeo Yamaguchi
  • Organizer: The 10th International Congress on Membranes and Membrane Progresses 2014
  • Place of Presentation: Suzhou Taihu International Conference Center, Suzhou in China
  • Year and Date: 2014-07-20 – 2014-07-25
• [Remarks] 酸高密度構造で発現する高速プロトン伝導機構 -Packed acid mechanism- の解明
  • URL: http://www.res.titech.ac.jp/news/reserch/_-packed_acid_mechanism-.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] エレクトライドの物質科学と応用展開 (2015)
  • Inventor(s): 細野秀雄・横山壽治・北野政明・溝口拓・小川敬也
  • Industrial Property Rights Holder: 細野秀雄・横山壽治・北野政明・溝口拓・小川敬也
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-181607
  • Filing Date: 2015-09-15
• [Patent(Industrial Property Rights)] プロトン伝導性材料及びその製造方法、並びに燃料電池の電解質膜 (2014)
  • Inventor(s): 小川敬也,ジーエムアニルクマル, 田巻孝敬,大橋秀伯,山口猛央
  • Industrial Property Rights Holder: 東京工業大学, ノリタケカンパニーリミテド, KAST
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2014-11-22