UCFの研究者が持続可能なアンモニア生成の重要なメカニズムを解明

セントラルフロリダ大学の研究チームとバージニア工科大学の共同研究者は、アンモニアの電気化学合成に関する重要な発見を発表し、持続可能な肥料研究を前進させ、世界的な食品安全への取り組みを支援した。

窒素と水素の化合物であるアンモニアは、食料生産のための多くの肥料に不可欠な成分です。 しかし、その主な生産方法であるハーバー・ボッシュ法はエネルギーと燃料を大量に消費し、世界の天然ガス生産量の 3% ～ 5% を消費し、世界の炭素排出量の 1% 以上を占めています。

研究者らは、金属ルテニウムを触媒として使用し、より持続可能な製造方法、つまり電気化学的にアンモニアを製造する最も効率的な方法を特定しました。 研究者らによると、この生産方法は、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源からの電力を電気化学合成の動力として使用すると、より持続可能になるという。

この研究結果は最近、ACS Energy Letters に掲載されました。

電気化学的なアンモニア生成に関しては多くの研究努力がなされているが、その根底にあるメカニズムはまだよく理解されていない、と研究者らは言う。

しかし、この新しい研究は、反応メカニズムのより明確な全体像を提供するのに役立つと、研究の共著者であるUCF物理学科の教授であるXiaofeng Feng氏は述べています

「この綿密な研究の結果は、持続可能なアンモニア生産に向けてより効率的な触媒を設計する方法について研究者に重要な指針を提供する可能性があります」とフェン氏は言う。

彼らはどのように仕事をしたのか

ルテニウムは反応中間体との最適な結合強度により、窒素と水分子からの水素を結合させてアンモニアを生成する窒素還元反応にとって最も活性な触媒の 1 つとなります。

原子層堆積を使用することで、研究者らは合成されたナノマテリアルを原子スケールで非常に正確に制御することができ、2 ～ 8 ナノメートルの範囲のルテニウムナノ粒子のテストが可能になりました。

研究者らは、ルテニウム原子を触媒構造に積層する際、D5 ステップ サイトと呼ばれるルテニウム表面原子の特別な配置が、電気化学的窒素還元反応にとって最も活性なサイトであることを発見しました。

他のサイトとは異なり、D5ステップサイトは「完璧なバランス」を備えており、N2H中間体の形成に有利であり、NH2中間体によって毒されたり、新しい分子が吸着して反応できなくなったりすることはない、と研究者らは述べている。

したがって、サイズが約4ナノメートルのルテニウムナノ粒子が、窒素還元反応に対して最高の触媒性能を有することが判明した。 活性は 4 ナノメートルでピークに達し、その後粒子サイズが 2 倍になると 5 分の 1 に低下しました。これは、ルテニウム粒子サイズが触媒作用に与える重要な影響を示しています。

アンモニアの電気化学的生成の効率を改善するという研究者らのこれまでの研究は、機構の理解と研究方法論を提供することで、今回の研究に役立った。

共同研究

この新しい研究は 3 つの研究チームの共同研究です。

フェンと彼の学生たちは、ルテニウムのサンプルを特徴づけ、アンモニアの電気化学的生成の触媒としてそれらを研究しました。 研究の共著者であるUCF材料科学・工学部教授のパラグ・バナジー氏と彼の学生たちは、バナジー氏の研究室でのルテニウム金属ナノ粒子の精密合成に焦点を当てた。

さらに、バージニア工科大学のHongliang Xin教授とその学生は、最高の触媒性能の原因となる原子構造をモデル化して特定するための計算研究を実施しました。

研究者らは、持続可能なアンモニア生産のための原子層堆積を使用した、より複雑で効率的な材料を開発するためにさらに協力する予定だとフェン氏は述べた。

また、この触媒材料を高度な電解装置に導入して、電動アンモニア生成の収率と効率を向上させる予定です。

研究者の資格情報

Feng 氏は、2013 年にカリフォルニア大学バークレー校で材料科学および工学の博士号を取得し、2016 年に物理学科の助教授として UCF に入社しました。 彼の研究室での研究は、米国国立科学財団 CAREER Award の助成金によって支援されています。

Banerjee は、2011 年にメリーランド大学で材料科学および工学の博士号を取得し、2018 年に UCF に入社しました。

Banerjee の研究室での研究は、米国国立科学財団と EMD Performance Materials によって部分的に支援されました。Banerjee と Feng は両方とも再生可能エネルギーと化学変換 (REACT) クラスターのメンバーであり、協力が促進され、将来のさらなる機会がサポートされました。