アンモニア分解反応の200度以上の低温化に成功早大、ヤンマーホールディングス

早稲田大学理工学術院の関根泰教授らの研究グループは2024年9月12日、ヤンマーホールディングスと共同で、触媒に電流を直接流す電場触媒反応をアンモニア分解反応に応用し、従来に比べ200℃以上の低温化に成功したことを発表した。従来のアンモニア分解反応とは異なるメカニズムで反応が進行することが判明した。

水素はクリーンなエネルギー資源として注目されているが、貯蔵や輸送に適していないことから、効率よく貯蔵や輸送できる水素キャリアの利用が検討されている。世界で最も合成されている化合物の一つであるアンモニアは、水素キャリアの有力な候補だが、水素を取り出す際に従来400℃以上で進行させるアンモニア分解反応が必要なため、より高効率かつ簡便に水素を得るために反応の低温化が求められている。

研究グループは、アンモニア分解反応の低温化を目指し、水素を取り出すさまざまな反応を低温で促進する電場触媒反応を応用した。電場触媒反応は、電極を直接触媒層に上下から触れさせ、電流を流して反応を促進させるプロセスで、触媒には半導体性を示す酸化セリウム（CeO₂）上に、貴金属のルテニウム（Ru）や卑金属である鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）といった金属を乗せた触媒を用いた。

電場触媒反応

電流を流した電場アンモニア分解反応では、従来では反応がほぼ進行しない125℃という低温域で、約100％のアンモニア分解率を達成した。また、高価なルテニウムを使用した場合だけでなく、鉄やニッケルといった安価な金属でも低温で反応が大幅に促進されることがわかった。

左：125℃での電場アンモニア分解。中央および右：金属変化試験

さらに、従来とは異なり100－200℃の温度域で反応速度が低温ほど上がる特異的な現象が確認された。低温ほど有利である吸着現象が関与した新しい反応メカニズムが生じていると考えられることから、さまざまな実験を実施したところ、従来の反応メカニズムで律速段階である触媒表面からの窒素の脱離が促進されたことがわかった。

反応メカニズム

機械学習ポテンシャルを用いた理論的シミュレーションにより、このメカニズムについてさらに詳細を検討した結果、電場反応時にはRuとCeO₂の境界でN₂H₂を経由したメカニズムが進行しやすいことがわかった。これが低温で電場アンモニア分解反応を進行させるメカニズムとして有力である。

今回の成果は、アンモニアからたくさんの水素を、従来よりも200℃以上低い温度域で取り出せる画期的なもので、工場やエンジンなどの排熱を利用して水素を得たいときに、小型設備でその場で得ることができる。これにより水素キャリアとしてのアンモニア利用の拡大や、扱いが難しい水素の利用拡大につながることが考えられる。

研究グループは今後、より少ない投入エネルギーで、アンモニアからより多くの水素を取り出すべく検討していく。また、ヤンマーホールディングスと社会実装に向けた課題解決を進めていく。

アンモニア分解反応の200度以上の低温化に成功　早大、ヤンマーホールディングス