阪大,太陽光と海水と空気からアンモニアを合成

大阪大学の研究グループは,太陽光照射下,海水と窒素ガスを原料として,常温・常圧下において非常に高いアンモニア合成活性を示す光触媒技術を開発した(ニュースリリース)。

アンモニアは化学肥料の原料として重要な化学物質であるほか,近年では,再生可能エネルギーの貯蔵・輸送を担うエネルギーキャリアとしても注目されている。従来のアンモニア合成は,非常に高い水素圧力と温度下で行なわれている。

これに対して光触媒反応では,太陽光エネルギーにより水と窒素ガスからアンモニアを製造する(1/2N2+3/2H2O → NH3+3/4O2)ことが原理的には可能であり,省エネルギープロセスとして期待されている。しかし,通常の光触媒では,水の四電子酸化(2H2O → O2+4H++4e)と,N2の六電子還元(N2+6H++6e→ 2NH3)を進めることは難しく,新しい反応技術の開発が求められていた。

研究グループではこれまで,光触媒によるアンモニア合成に注目した技術開発を進めてきた。そして今回,ビスマスオキシ塩化物半導体に表面酸素欠陥を形成させたBiOCl-OVs光触媒を開発した。

この粉末光触媒を,海水などの塩化物イオン(Cl)を含む水溶液に懸濁させ,窒素ガス流通下で太陽光を照射することにより,極めて効率のよいアンモニア合成が可能となることを見出した。

太陽エネルギーの化学エネルギーへの変換は古くから研究されているが,水の酸化は極めて進行しにくい反応であり,高効率変換の妨げになっていた。

今回の研究では(1)正孔による層間Clの酸化,(2)生成したHClOの光分解,(3)Clの補填による触媒構造の維持,により安定的にアンモニアが生成する。この反応では,海水を反応溶液に用いた場合にも太陽エネルギー変換効率0.05%以上と,一般植物による天然光合成(~0.1%)に匹敵する効率でアンモニアが生成する。

これにより水の酸化を促進することが可能。金属オキシ塩化物半導体は合成が容易であるため,今回の技術を応用することで,さらに高活性なアンモニア合成光触媒が創製できるほか,豊富な天然資源である海水を用いる人工光合成反応を創製できるとしている。

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