JP2012025985A - アンモニアの合成方法 - Google Patents
アンモニアの合成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012025985A JP2012025985A JP2010163537A JP2010163537A JP2012025985A JP 2012025985 A JP2012025985 A JP 2012025985A JP 2010163537 A JP2010163537 A JP 2010163537A JP 2010163537 A JP2010163537 A JP 2010163537A JP 2012025985 A JP2012025985 A JP 2012025985A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ammonia
- zone
- anode
- cathode
- water
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 124
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 title claims abstract description 19
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 14
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 claims description 12
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 6
- 238000013032 photocatalytic reaction Methods 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 17
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 16
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 11
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 abstract description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 9
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract description 8
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- -1 nitrogen anions Chemical class 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910003071 TaON Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001508 alkali metal halide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000008045 alkali metal halides Chemical class 0.000 description 2
- 229910001615 alkaline earth metal halide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010349 cathodic reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N [F].[Sn]=O Chemical compound [F].[Sn]=O NPNMHHNXCILFEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
- C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
- C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
- C01C1/04—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase
- C01C1/0405—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase from N2 and H2 in presence of a catalyst
- C01C1/0411—Preparation of ammonia by synthesis in the gas phase from N2 and H2 in presence of a catalyst characterised by the catalyst
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/50—Processes
- C25B1/55—Photoelectrolysis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/39—Photocatalytic properties
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
【課題】 水素ガスを用いることなくアンモニアの合成が可能であり、従来の水素源としての天然ガス等の化石燃料を使用しないため、化石燃料の高騰によるアンモニア製造コストの上昇や、炭酸ガス（ＣＯ２）排出による環境負荷がなく、しかも常温・常圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が小さくてすみ、経済性に優れている、アンモニアの合成方法を提供する。
【解決手段】 アンモニアの合成方法は、電解質相に、陽極と陰極とが所定間隔をおいて配置され、陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成され、陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）が供給され、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいてＮ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が合成される。
【選択図】 図１
【解決手段】 アンモニアの合成方法は、電解質相に、陽極と陰極とが所定間隔をおいて配置され、陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成され、陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）が供給され、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいてＮ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が合成される。
【選択図】 図１
Description
本発明は、アンモニアの合成方法、さらに詳しくは、水素ガスを用いることなくアンモニアの合成が可能である、アンモニアの合成方法に関するものである。
従来のアンモニア合成プロセスは、合成原料である水素源として、天然ガス等の化石燃料を使用している。そのため、化石燃料の高騰によるアンモニア製造コストの上昇や、炭酸ガス（ＣＯ２）排出による環境負荷が課題となっている。
化石燃料を用いない水素の製造方法としては、水の電気分解を用いた電解法、太陽光による水の光触媒分解法、太陽熱や核エネルギーを用いた熱化学法がある。
これらの水素を用いてアンモニアを合成する方法としては、ハーバーボッシュ法が採用されている。ここで、ハーバーボッシュ法は、水素ガスと窒素ガスからアンモニアを合成する方法であり、鉄系の三元系触媒の存在下、水素ガスと窒素ガスとを反応させることによってアンモニアを製造するものである。
ハーバーボッシュ法は、合成効率が高いため、現在でも、アンモニア合成法の主流であるが、ハーバーボッシュ法は高温・高圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が大きく、しかも炭化水素の水蒸気改質によって水素ガスを得る際に、多量の炭酸ガス（ＣＯ２）を排出するという問題があった。
上記問題を改善する方法として、水素ガスを用いない方法の開発が行われており、このようなアンモニアの合成方法に関わる特許文献には、下記のようなものがある。
まず、特許文献１に開示されているアンモニア電解合成装置は、水と窒素とからアンモニアを電解合成する装置であって、電解浴に供給する水蒸気の種類と電解浴を撹拌する手段とを工夫したものである。このアンモニア電解合成装置は、
（１）電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気とＮ３−とを供給することによってアンモニアを合成する装置であり、
（２）溶融塩にガス成分を供給し、ガス成分を含む溶融塩の上昇流によって溶融塩を撹拌する手段と、
（３）水蒸気の反応によって生じるＯ２−を酸化して酸素ガスを発生させる陽極と、
（４）窒素ガスを還元してＮ３−を発生させる陰極とを
有することを特徴とするものである。
（１）電解浴である溶融塩に微細化された水蒸気とＮ３−とを供給することによってアンモニアを合成する装置であり、
（２）溶融塩にガス成分を供給し、ガス成分を含む溶融塩の上昇流によって溶融塩を撹拌する手段と、
（３）水蒸気の反応によって生じるＯ２−を酸化して酸素ガスを発生させる陽極と、
（４）窒素ガスを還元してＮ３−を発生させる陰極とを
有することを特徴とするものである。
ここで、溶融塩は、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも１種である。また、微細化された水蒸気は、気泡径が１００ｎｍ〜１０ｍｍである。さらに、微細化された水蒸気は、溶融塩１ｃｍ３当たりに気泡が１０個〜１０００万個含まれるように供給されるというものである。
つぎに、特許文献２に開示されているアンモニア合成装置は、窒素ガスが供給されるメッシュ状または多孔質状の陰極と、陰極上の窒化物固体電解質層と、窒化物固体電解質層上に設けられたメッシュ状または多孔質状の陽極と、陽極上に設けられ、水素を吸着解離する触媒層とを備えることを特徴とし、陽極に陰極に対して正の電位を加えることで、窒化物固体電解質層において電気化学的に窒素陰イオンを生成し、陽極において窒素陰イオンを酸化し原子状窒素を得、陽極において、原子状窒素と触媒層上に吸着解離させた原子状水素とを反応させることで、アンモニアを合成するものである。
しかしながら、上記特許文献１に記載のアンモニア合成装置によれば、アルカリ金属ハロゲン化物及びアルカリ土類金属ハロゲン化物からなる溶融塩の電解浴を用いているため、やはり高温でのアンモニア合成となり、エネルギーの消費が非常に大きいという問題があった。また、上記特許文献２に記載のアンモニア合成装置によれば、水素源としては水素ガスを供給する必要があり、燃料に化石燃料を使用する課題は解決されていない。
本発明の目的は、上記の従来技術の問題を解決し、水素ガスを用いることなくアンモニアの合成が可能であり、従来の水素源としての天然ガス等の化石燃料を使用しないため、化石燃料の高騰によるアンモニア製造コストの上昇や、炭酸ガス（ＣＯ２）排出による環境負荷がなく、しかも常温・常圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が小さくてすみ、経済性に優れている、アンモニアの合成方法を提供することにある。
本発明者らは、上記の点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、陽極ゾーンにおいて、水に光を照射すると、光吸収反応により水が分解して、プロトン、電子および酸素ガスが形成され、その電子を、窒素ガスが供給される陰極ゾーンに移行させて、陰極ゾーンにおいてＮ３−を形成し、このＮ３−と、陽極ゾーンからのプロトンとの反応により、アンモニアが合成されることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
上記の目的を達成するために、請求項１のアンモニアの合成方法の発明は、電解質相に、陽極と陰極とが所定間隔をおいて配置され、陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成され、陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）が供給され、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいてＮ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が合成されることを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１に記載のアンモニアの合成方法であって、陽極に光触媒が具備されており、陽極ゾーンに光が照射されて、光触媒反応により水が分解して、プロトン、電子および酸素ガスが形成されるようになされていることを特徴としている。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のアンモニアの合成方法であって、陽極ゾーンに照射される光が、太陽光、または光照射ランプより照射される可視光であることを特徴としている。
請求項１のアンモニアの合成方法の発明は、電解質相に、陽極と陰極とが所定間隔をおいて配置され、陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成され、陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）が供給され、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいてＮ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が合成されることを特徴とするもので、請求項１の発明によれば、水素ガスを用いることなくアンモニアの合成が可能であり、従来の水素源としての天然ガス等の化石燃料を使用しないため、化石燃料の高騰によるアンモニア製造コストの上昇や、炭酸ガス（ＣＯ２）排出による環境負荷がなく、しかも常温・常圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が小さくてすみ、経済性に優れているという効果を奏する。
請求項２の発明は、請求項１に記載のアンモニアの合成方法であって、陽極に光触媒が具備されており、陽極ゾーンに光が照射されて、光触媒反応により水が分解して、プロトン、電子および酸素ガスが形成されるようになされていることを特徴とするもので、請求項２の発明によれば、光触媒を使用することにより、水の分解反応が速やかに進み、高効率でアンモニアを合成することができるという効果を奏する。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のアンモニアの合成方法であって、陽極ゾーンに照射される光が、太陽光、または光照射ランプより照射される可視光であることを特徴とするもので、請求項３の発明によれば、太陽光、および光照射ランプより照射される可視光が、最も高いエネルギーを有するものであるため、これらの光を用いることにより、水の分解反応が速やかに進み、やはり高効率でアンモニアを合成することができるという効果を奏する。
つぎに、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は、本発明によるアンモニアの合成方法の実施装置の具体例を示すもので、同図を参照すると、本発明によるアンモニアの合成方法は、電解質相に、陽極と陰極とが所定間隔をおいて配置されている。
陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成される。
陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）が供給され、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいてＮ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が合成される陽極ゾーンには、水が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン、電子および酸素ガスが形成されるものである。
本発明によるアンモニアの合成方法において、陽極ゾーンおよび陰極ゾーンでの化学反応は、つぎの通りである。
陽極反応：Ｈ２Ｏ＋ｈｖ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−
陰極反応：Ｎ２＋６ｅ− → ２Ｎ３−
：Ｎ３−＋３Ｈ＋→ＮＨ３
本発明のアンモニアの合成方法によれば、水素ガスを用いることなくアンモニアの合成が可能であり、従来の水素源としての天然ガス等の化石燃料を使用しないため、化石燃料の高騰によるアンモニア製造コストの上昇や、炭酸ガス（ＣＯ２）排出による環境負荷がなく、しかも常温・常圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が小さくてすみ、経済性に優れている。
陰極反応：Ｎ２＋６ｅ− → ２Ｎ３−
：Ｎ３−＋３Ｈ＋→ＮＨ３
本発明のアンモニアの合成方法によれば、水素ガスを用いることなくアンモニアの合成が可能であり、従来の水素源としての天然ガス等の化石燃料を使用しないため、化石燃料の高騰によるアンモニア製造コストの上昇や、炭酸ガス（ＣＯ２）排出による環境負荷がなく、しかも常温・常圧での合成であるため、エネルギー消費や設備規模が小さくてすみ、経済性に優れている。
本発明によるアンモニアの合成方法においては、陽極に光触媒が具備されており、陽極ゾーンに光が照射されて、光触媒反応により水が分解して、プロトン、電子および酸素ガスが形成されるようになされていることが好ましい。
ここで、陽極の基板としては、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、フッ素錫酸化物（ＦＴＯ）などを用いるのが好ましい。
また、陰極としては、例えばＮｉ多孔体、ニッケル、鉄もしくはルテニウムを担持したＮｉ多孔体、カーボンペーパー、またはニッケル、鉄もしくはルテニウムを担持したカーボンペーパーなどを用いるのが好ましい。
光触媒としては、いわゆる可視光応答型光触媒で、可視光で光触媒活性を発現するものであればよい。このような可視光応答型光触媒としては、例えば、ＴａＯＮ、ＬａＴｉＯ２Ｎ、ＣａＮｂＯ２Ｎ、ＬａＴａＯＮ２、ＣａＴａＯ２Ｎに代表されるオキシナイトライド化合物、Ｓｍ２Ｔｉ２Ｓ２Ｏ７等に代表されるオキシサルファイド化合物、およびＣａＩｎ２Ｏ４、ＳｒＩｎ２Ｏ４、ＺｎＧａ２Ｏ４、Ｎａ２Ｓｂ２Ｏ６に代表されるｄ１０電子状態の金属イオンを含む酸化物などが挙げられる。
このような光触媒を使用することにより、水の分解反応が速やかに進み、高効率でアンモニアを合成することができる。
本発明によるアンモニアの合成方法においては、陽極ゾーンに照射される光が、太陽光、または光照射ランプより照射される可視光であることが好ましい。ここで、光照射ランプとしては、例えばキセノンランプ、クリプトンランプなどを使用することが好ましい。これらの可視光は、最も高いエネルギーを有するものであるため、これらの光を用いることにより、水の分解反応が速やかに進み、やはり高効率でアンモニアを合成することができる。
つぎに、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例１
まず、電解質相の電解質には、０．００２Ｎの硫酸（Ｈ２ＳＯ４）水溶液を用いた。陽極は、基板にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用い、光触媒として可視光応答型光触媒であるＴａＯＮを、ＩＴＯ基板に塗布して担持した。また、陰極には、Ｎｉ多孔体を用いた。
まず、電解質相の電解質には、０．００２Ｎの硫酸（Ｈ２ＳＯ４）水溶液を用いた。陽極は、基板にインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）を用い、光触媒として可視光応答型光触媒であるＴａＯＮを、ＩＴＯ基板に塗布して担持した。また、陰極には、Ｎｉ多孔体を用いた。
そして、上記電解質相において、光触媒を具備する陽極と、陰極とが、所定間隔をおいて配置され、陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、キセノンランプにより可視光線からなる光を、３００Ｗで照射した。これにより、陽極ゾーンでは、光触媒反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成された。
一方、陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）を、１００ｍｌ／ｍｉｎの流速で流通させた。
電極間には、２．８〜３．４Ｖの電圧を印加し、その時の電解質のイオン伝導度を測定した。これにより、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいては、窒素ガス（Ｎ２）が電子（ｅ−）を受け取ることにより、Ｎ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が生成された。生成したアンモニアは、陰極ゾーンに流通している窒素ガスとともに装置から排出された。
本発明の実施例によるアンモニアの合成方法において、陽極ゾーンおよび陰極ゾーンでの化学反応は、つぎの通りであった。
陽極反応：Ｈ２Ｏ＋ｈｖ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−
陰極反応：Ｎ２＋６ｅ− → ２Ｎ３−
：Ｎ３−＋３Ｈ＋→ＮＨ３
この結果、アンモニア合成反応開始前の硫酸水溶液よりなる電解質相のイオン伝導度は、０．８４ｍＳ／ｃｍであるのに対し、アンモニア合成反応後の硫酸水溶液電解質相のイオン伝導度は、０．５０ｍＳ／ｃｍに低下しており、アンモニアが生成していることが確認された。
陰極反応：Ｎ２＋６ｅ− → ２Ｎ３−
：Ｎ３−＋３Ｈ＋→ＮＨ３
この結果、アンモニア合成反応開始前の硫酸水溶液よりなる電解質相のイオン伝導度は、０．８４ｍＳ／ｃｍであるのに対し、アンモニア合成反応後の硫酸水溶液電解質相のイオン伝導度は、０．５０ｍＳ／ｃｍに低下しており、アンモニアが生成していることが確認された。
Claims (3)
- 電解質相に、陽極と陰極とが所定間隔をおいて配置され、陽極ゾーンには、水（Ｈ２Ｏ）が供給されるとともに、光が照射されて、光吸収反応により水が分解して、プロトン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）および酸素ガス（Ｏ２）が形成され、陰極ゾーンには、窒素ガス（Ｎ２）が供給され、陽極ゾーンで生じた電子（ｅ−）が、リード線を介して陰極ゾーンに移行せしめられて、陰極ゾーンにおいてＮ３−が形成され、陽極ゾーンから電解質相内を陰極ゾーン側に移動してきたプロトン（Ｈ＋）と、Ｎ３−との反応により、アンモニア（ＮＨ３）が合成されることを特徴とする、アンモニアの合成方法。
- 陽極に光触媒が具備されており、陽極ゾーンに光が照射されて、光触媒反応により水が分解して、プロトン、電子および酸素ガスが形成されるようになされていることを特徴とする、請求項１に記載のアンモニアの合成方法。
- 陽極ゾーンに照射される光が、太陽光、または光照射ランプより照射される可視光であることを特徴とする、請求項１または２に記載のアンモニアの合成方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010163537A JP5604204B2 (ja) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | アンモニアの合成方法 |
| US13/809,677 US8801915B2 (en) | 2010-07-21 | 2011-06-03 | Method for synthesizing ammonia |
| PCT/JP2011/062790 WO2012011324A1 (ja) | 2010-07-21 | 2011-06-03 | アンモニアの合成方法 |
| AU2011280799A AU2011280799B2 (en) | 2010-07-21 | 2011-06-03 | Method for synthesizing ammonia |
| CN201180035396.8A CN103108994B (zh) | 2010-07-21 | 2011-06-03 | 氨的合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010163537A JP5604204B2 (ja) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | アンモニアの合成方法 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012025985A true JP2012025985A (ja) | 2012-02-09 |
| JP2012025985A5 JP2012025985A5 (ja) | 2013-08-01 |
| JP5604204B2 JP5604204B2 (ja) | 2014-10-08 |
Family
ID=45496753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010163537A Expired - Fee Related JP5604204B2 (ja) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | アンモニアの合成方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8801915B2 (ja) |
| JP (1) | JP5604204B2 (ja) |
| CN (1) | CN103108994B (ja) |
| AU (1) | AU2011280799B2 (ja) |
| WO (1) | WO2012011324A1 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015120118A (ja) * | 2013-12-24 | 2015-07-02 | 株式会社デンソー | アンモニア合成触媒 |
| JP2015147707A (ja) * | 2014-02-06 | 2015-08-20 | 国立大学法人北海道大学 | アンモニア発生装置及びアンモニア発生方法 |
| WO2017149718A1 (ja) * | 2016-03-03 | 2017-09-08 | 日揮株式会社 | アンモニアの製造方法 |
| JP2019502019A (ja) * | 2015-11-16 | 2019-01-24 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | 電気化学セルおよび方法 |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160160312A1 (en) * | 2014-12-04 | 2016-06-09 | Air Products And Chemicals, Inc. | Hydrometallurgical System and Process Using an Ion Transport Membrane |
| CN104630811B (zh) * | 2015-02-13 | 2017-03-08 | 王海斌 | 一种电解制氨装置 |
| CN106082270B (zh) * | 2016-06-08 | 2018-02-06 | 南京科技职业学院 | 一种光催化合成氨的方法 |
| CN106480469A (zh) * | 2016-07-14 | 2017-03-08 | 张国权 | 小型制氨机的制造方法 |
| CN107686120B (zh) * | 2016-08-05 | 2020-04-21 | 华中师范大学 | 一种聚集太阳能催化合成氨的方法及其催化剂 |
| WO2019020378A1 (en) * | 2017-07-25 | 2019-01-31 | Haldor Topsøe A/S | PROCESS FOR THE PREPARATION OF AMMONIA SYNTHESIS GAS |
| CN108754534B (zh) * | 2018-05-25 | 2020-06-26 | 山东师范大学 | 一种电催化合成氨的铁基非贵金属催化剂及制备方法 |
| CN108993546B (zh) * | 2018-07-12 | 2021-03-02 | 福州大学 | 高效光催化水裂解产氢和醇氧化的异质结光催化剂 |
| CN108977841B (zh) * | 2018-08-30 | 2021-07-23 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 一种氮气和二氧化碳气体同步电化学还原合成尿素的方法 |
| US11885029B2 (en) * | 2019-02-12 | 2024-01-30 | Georgia Tech Research Corporation | Systems and methods for forming nitrogen-based compounds |
| CN114341402A (zh) * | 2019-09-05 | 2022-04-12 | 国立大学法人东京大学 | 氨的制造方法及制造装置 |
| CN111394740B (zh) * | 2020-03-11 | 2021-07-27 | 南京航空航天大学 | 一种提高电催化氮还原合成氨反应效率的方法 |
| CN114622223B (zh) * | 2020-12-14 | 2023-08-25 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种电催化脱硝合成氨的方法 |
| CN112939023A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-06-11 | 西安热工研究院有限公司 | 一种火电厂制氨储能及脱硝的系统及其方法 |
| CN113387371B (zh) * | 2021-05-28 | 2023-08-22 | 西安交通大学 | 一种基于燃料电池形式设计的光电催化合成氨反应器 |
| CN114672823A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-06-28 | 西安交通大学 | 基于高-低频声波组合的光电催化合成氨反应器及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4167461A (en) * | 1978-07-10 | 1979-09-11 | Allied Chemical Corporation | Photoenhanced reduction process |
| JP2001072985A (ja) * | 1999-09-02 | 2001-03-21 | Katsuyoshi Hoshino | 酸化チタンと導電性ポリマーの複合材料を用いた空中窒素の固定化方法 |
| JP2003200057A (ja) * | 2002-01-11 | 2003-07-15 | Japan Science & Technology Corp | 可視光応答性を持つ酸化チタン／導電性ポリマー複合材料からなる高効率な空中窒素固定複合化光触媒材料 |
| JP2009084615A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Doshisha | アンモニア電解合成装置 |
| JP2010030870A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | バイオマスエネルギー変換装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005272856A (ja) | 2004-03-22 | 2005-10-06 | Kenichi Machida | アンモニア合成装置、アンモニア合成方法および燃焼装置を含むシステム |
| WO2008116254A1 (en) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | Robin Brimblecombe | Water oxidation catalyst |
| WO2010042197A1 (en) * | 2008-10-08 | 2010-04-15 | Massachusetts Institute Of Technology | Catalytic materials, photoanodes, and photoelectrochemical cells for water electrolysis and other electrochemical techniques |
| EP2351873B1 (en) * | 2008-10-30 | 2018-03-21 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Photoelectrochemical cell and energy system using the same |
-
2010
- 2010-07-21 JP JP2010163537A patent/JP5604204B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2011
- 2011-06-03 CN CN201180035396.8A patent/CN103108994B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2011-06-03 WO PCT/JP2011/062790 patent/WO2012011324A1/ja active Application Filing
- 2011-06-03 US US13/809,677 patent/US8801915B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2011-06-03 AU AU2011280799A patent/AU2011280799B2/en not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4167461A (en) * | 1978-07-10 | 1979-09-11 | Allied Chemical Corporation | Photoenhanced reduction process |
| JP2001072985A (ja) * | 1999-09-02 | 2001-03-21 | Katsuyoshi Hoshino | 酸化チタンと導電性ポリマーの複合材料を用いた空中窒素の固定化方法 |
| JP2003200057A (ja) * | 2002-01-11 | 2003-07-15 | Japan Science & Technology Corp | 可視光応答性を持つ酸化チタン／導電性ポリマー複合材料からなる高効率な空中窒素固定複合化光触媒材料 |
| JP2009084615A (ja) * | 2007-09-28 | 2009-04-23 | Doshisha | アンモニア電解合成装置 |
| JP2010030870A (ja) * | 2008-07-30 | 2010-02-12 | Laser Gijutsu Sogo Kenkyusho | バイオマスエネルギー変換装置 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015120118A (ja) * | 2013-12-24 | 2015-07-02 | 株式会社デンソー | アンモニア合成触媒 |
| JP2015147707A (ja) * | 2014-02-06 | 2015-08-20 | 国立大学法人北海道大学 | アンモニア発生装置及びアンモニア発生方法 |
| JP2019502019A (ja) * | 2015-11-16 | 2019-01-24 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ | 電気化学セルおよび方法 |
| US11145871B2 (en) | 2015-11-16 | 2021-10-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Electrochemical cell and process |
| WO2017149718A1 (ja) * | 2016-03-03 | 2017-09-08 | 日揮株式会社 | アンモニアの製造方法 |
| US10597301B2 (en) | 2016-03-03 | 2020-03-24 | Jgc Corporation | Ammonia production method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US8801915B2 (en) | 2014-08-12 |
| WO2012011324A1 (ja) | 2012-01-26 |
| AU2011280799A1 (en) | 2013-01-31 |
| CN103108994A (zh) | 2013-05-15 |
| US20130112568A1 (en) | 2013-05-09 |
| CN103108994B (zh) | 2016-01-20 |
| AU2011280799B2 (en) | 2015-02-26 |
| JP5604204B2 (ja) | 2014-10-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5604204B2 (ja) | アンモニアの合成方法 | |
| Guo et al. | Dual-doping NiMoO4 with multi-channel structure enable urea-assisted energy-saving H2 production at large current density in alkaline seawater | |
| US10854885B2 (en) | Non-noble metal electrocatalysts for oxygen depolarized cathodes and their application in chlor-alkali electrolysis cells | |
| Ren et al. | Water electrolysis for hydrogen production: from hybrid systems to self-powered/catalyzed devices | |
| Lang et al. | A review on hydrogen production: methods, materials and nanotechnology | |
| Hargreaves et al. | Minimizing energy demand and environmental impact for sustainable NH3 and H2O2 production—A perspective on contributions from thermal, electro-, and photo-catalysis | |
| US10982339B2 (en) | Process for the production of ammonia from air and water | |
| TWI564434B (zh) | 用於電化學製造與氧化劑有關之化合物的裝置及方法 | |
| CN112501662B (zh) | 一种应用于高效二氧化碳还原反应生成甲烷的铜纳米片的制备方法 | |
| Pan et al. | Photoanode driven photoelectrocatalytic system for CO2 reduction to formic acid by using CoOx cathode | |
| Zha et al. | Treatment of hazardous organic amine wastewater and simultaneous electricity generation using photocatalytic fuel cell based on TiO2/WO3 photoanode and Cu nanowires cathode | |
| CN113136597B (zh) | 一种铜锡复合材料及其制备方法和应用 | |
| Gu et al. | Atomically dispersed metal catalysts for the electrochemical nitrogen reduction reaction | |
| Shen et al. | N, O trans-coordinating silver single-atom catalyst for robust and efficient ammonia electrosynthesis from nitrate | |
| Wei et al. | Oxygen vacancies‐rich metal oxide for electrocatalytic nitrogen cycle | |
| JP3455779B2 (ja) | 半導体光触媒反応装置及び電解装置からなる水素の製造装置 | |
| Liu et al. | Highly dispersed copper-iron nanoalloy enhanced electrocatalytic reduction coupled with plasma oxidation for ammonia synthesis from ubiquitous air and water | |
| Xie et al. | Cu-based catalyst designs in CO 2 electroreduction: precise modulation of reaction intermediates for high-value chemical generation | |
| Takagi et al. | Synergistic effect of Ag decorated in-liquid plasma treated titanium dioxide catalyst for efficient electrocatalytic CO2 reduction application | |
| Kim et al. | Photoelectrocatalytic N2 fixation and CH oxyfunctionalization driven by H2O oxidation | |
| Zhang et al. | Efficient electrochemical generation of active chlorine to mediate urea and ammonia oxidation in a hierarchically porous-Ru/RuO2-based flow reactor | |
| Zhang et al. | A review on electrocatalytic CO2 conversion via C–C and C–N coupling | |
| Yang et al. | Oxygen vacancy-rich nanoporous Cu-CoOx/CC hybrid catalyst for controllable electrocatalytic reduction of nitrate | |
| JP6345524B2 (ja) | 電気化学プロセスによる化学品の製造方法及び製造装置 | |
| JP2016084535A (ja) | 二酸化炭素の電気化学的還元のためのシステムおよびその方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130617 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130617 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140729 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140825 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5604204 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |