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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Electrochemical Promotion of Ammonia Synthesis in Electrolysis Cells with High Conversion Efficiency

Research Project

Project/Area Number 20H02521
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

菊地 隆司  北海道大学, 工学研究院, 教授 (40325486)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 久保田 純  福岡大学, 工学部, 教授 (50272711)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsアンモニア / 電解合成 / プロトン伝導体 / 赤外分光 / 過渡応答法 / 鉄触媒 / 固体リン酸塩電解質 / バリウムジルコネート
Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに、Feとバリウムジルコネート(BaZr0.8Y0.2O3-δ, BZY)の焼結体を電極触媒とした際の、アンモニア合成における電気化学的な促進効果は、電解合成反応温度により異なることを報告した。リン酸二水素セシウム(CDP)を電解質とした200℃付近での電解合成では、アンモニア合成電極の表面吸着種をFT-IRでその場観察した結果、電圧を印加することでN2Hxの生成に対応する吸収ピークが現れ、窒素分子にプロトンもしくは水素原子が付加してから窒素原子間の結合が解離し、アンモニアが生成する反応機構を支持する結果が得られた。本年度は、電極触媒中のBZYの役割を明らかにする検討を続けた。ナノサイズFe2O3とRuを複合化した電極とCDP電解質を用いて、アンモニア電解合成を行ったが、200℃ではアンモニアの生成は見られなかった。電極触媒のXRD測定の結果、Feはα相のみが存在することが分かった。Fe-BZY電極触媒におけるBZYは、Feが活性の高いγ相で存在するために必要であることが示唆された。またFe-BZYを電極、BZYを電解質として、200℃付近でのアンモニア電解合成におけるFT-IRによる電極触媒表面のその場観察をした。これはBZYを電解質とすることで、プロトン供給量が極めて少ない分極状態で、電極表面のその場観察をするためであった。この条件では、分極によるN2Hxのピーク生成は観察できなかった。これらの結果から、200℃付近でのアンモニア電解合成では、活性の高いγ相のFeが存在し、プロトンが電極反応場に十分に供給されることが、アンモニア生成に不可欠であることが分かった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 5 results) Book (2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] 水素透過膜型電解セルを用いた電力による水と窒素からのアンモニア合成2022

    • Author(s)
      久保田純
    • Journal Title

      化学工学

      Volume: 86 Pages: 621-624

  • [Presentation] Electrochemical Synthesis of Energy Carrier for Efficient Use of Renewable Energy2023

    • Author(s)
      Ryuji Kikuchi
    • Organizer
      The 4th Materials Research Society of Thailand International Conference
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 電気化学セルを用いた選択的水素化および酸化反応2023

    • Author(s)
      菊地隆司
    • Organizer
      触媒学会北海道支部 札幌講演会
    • Invited
  • [Presentation] Ammonia Synthesis from H2O and N2 Using Ru Catalysts and Electrochemical Cells with Phosphate Electrolytes2023

    • Author(s)
      Jun Kubota
    • Organizer
      7th International Conference on Catalysis and Chemical Engineering
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 窒素や二酸化炭素の電気化学的還元によるエネルギーキャリア合成2022

    • Author(s)
      菊地隆司
    • Organizer
      化学工学会第53回秋季大会
    • Invited
  • [Presentation] 電解セルを用いた物質合成2022

    • Author(s)
      菊地隆司
    • Organizer
      セラミックス協会北海道支部地区セミナー
    • Invited
  • [Book] アンモニアの低温・低圧合成と新しい利用技術 ~燃焼・混焼技術、水素キャリア~2023

    • Author(s)
      菊地隆司
    • Total Pages
      500
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-953-8
  • [Book] CO2 Free Ammonia as an Energy Carrier2022

    • Author(s)
      Jun Kubota
    • Total Pages
      697
    • Publisher
      Springer, Singapore
    • ISBN
      978-981-19-4766-7
  • [Remarks] アンモニアの電解的合成法の研究

    • URL

      https://cse-lab.eng.hokudai.ac.jp/research.html

  • [Remarks] 応用化学のものづくり~世界初!常圧220℃でのアンモニア電解合成~

    • URL

      https://apchem.eng.hokudai.ac.jp/article/493/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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