Electrochemical Promotion of Ammonia Synthesis in Electrolysis Cells with High Conversion Efficiency
| Project/Area Number |
20H02521
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
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| Research Institution | Hokkaido University (2022)
The University of Tokyo (2020-2021) |
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Principal Investigator |
Kikuchi Ryuji 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40325486)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
久保田 純 福岡大学, 工学部, 教授 (50272711)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2020: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
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| 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 / 電気化学セル / 固体電解質 / 再生可能エネルギー / 水電解 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、電気化学セルを用いたアンモニア合成においてアンモニアの生成機構を検討し、アンモニアの生成速度および電流効率の向上の要因を明らかにし、高効率なアンモニア合成法へと展開することを目的とする。このために、電圧印加時の電極表面種のin situ赤外分光測定に基づいた反応機構解析と、電極触媒の物性および電極構造の影響、また電極触媒への塩基性化合物の添加による影響を検討することで、電流効率とアンモニア生成速度の大きい、効率的なアンモニア合成法を創製する。
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| Outline of Final Research Achievements |
An electrochemical cell using a phosphate-based electrolyte was fabricated, and NH3 was synthesized electrochemically from N2 and water vapor in a temperature range around 200°C under atmospheric pressure. It was found that NH3 is not produced in Fe-based cathodes unless a voltage is applied, but NH3 is produced by applying a voltage and supplying H+, and N2H4 is also produced in addition to NH3. In situ infrared spectroscopic measurements of the developed electrode surface confirmed that N2Hx species were generated by applying voltage at 220°C, and the peak intensity increased with applied voltage. A response study in which the current is interrupted from the polarized state suggests that the decrease in the NH3 formation rate under high current densities is due to the decrease in the number of adsorbed nitrogen atoms and hydrogen atoms/H+ on the electrode surface.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
NH3は燃焼時にCO2を排出せず、ゼロカーボン社会構築に向けたエネルギーキャリアとして注目されており、特に再生可能エネルギーを利用して合成されるNH3合成は、グリーンNH3として注目を集めている。本電解合成法は、常圧200℃付近でNH3を直接合成する方法で、再生可能エネルギーの利用に好適である。得られた研究成果は、本電解合成法でのN2の還元機構を明らかにするもので、窒素による電極の被覆率を高めることがNH3生成速度向上につながることを過渡応答法により明らかにした成果や、220℃におけるNH3合成において分極状態で電極上の中間体を赤外分光により初めて捕らえた成果は、学術的な意義が極めて高い。
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Report
(4 results)
Research Products
(20 results)
