JP2019510874A - Method and battery for converting dinitrogen to ammonia - Google Patents

Method and battery for converting dinitrogen to ammonia Download PDF

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Abstract

本発明は、アンモニアへの二窒素の還元方法、および該還元のための電気化学電池に関し、該電気化学電池は、ナノ構造触媒を含むカソード作用電極と、対電極と、電解質とを含む。本発明は、二窒素および水素の源を電解質に導入するステップを含み、二窒素は、カソード作用電極でアンモニアに還元される。電解質は、特定のカチオンと特定のアニオンとの組み合わせから形成される1種以上の液体塩を含む。【選択図】なしThe present invention relates to a process for the reduction of dinitrogen to ammonia, and to an electrochemical cell for said reduction, which electrochemical cell comprises a cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst, a counter electrode and an electrolyte. The invention comprises the step of introducing a source of dinitrogen and hydrogen into the electrolyte, wherein the dinitrogen is reduced to ammonia at the cathode working electrode. The electrolyte comprises one or more liquid salts formed from a combination of a specific cation and a specific anion. 【Selection chart】 None

Description

本発明は、二窒素(N)をアンモニアへ転換する電気化学装置および方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical device and method for converting dinitrogen (N 2 ) to ammonia.

一形態では、本発明は、二窒素のカソード減少に関する。   In one form, the invention relates to the cathode reduction of dinitrogen.

1つの特定の態様では、本発明は、アンモニアの工業生産での使用に適している。   In one particular aspect, the present invention is suitable for use in the industrial production of ammonia.

本細書中の文書、装置、行動または知見のいずれの考察は、本発明の内容を説明するために含まれていることを理解すべきである。さらに、本明細書を通じての考察は、発明者の認識および/または発明者による特定の関連した分野の課題の特定により生じる。また、本明細書中の文書、装置、行動または知見などのいずれの考察も、発明者の知見および経験の観点から本発明の内容を説明するために含まれる。したがって、いずれのそのような考察も、本願の開示および特許請求の範囲の優先日以前のオーストラリア、または他の場所での関連分野の先行技術の土台または共通の一般知識の一部を上記のいずれのものが形成すると認めるべきではない。   It should be understood that any discussion of documents, devices, acts or knowledge in this document is included to explain the context of the present invention. Furthermore, the discussion throughout this specification may arise from the recognition of the inventor and / or the identification by the inventor of a particular related area of the problem. Also, any discussion of documents, devices, acts or findings herein is included to explain the context of the present invention in terms of the inventor's knowledge and experience. Accordingly, any such discussion takes form part of the prior art basis or common general knowledge of the relevant art in Australia prior to the priority date of the present disclosure and claims, or elsewhere. It should not be admitted that things form.

アンモニア生成は非常にエネルギーを消費するプロセスであり、世界の電気エネルギーの1〜3%、世界の天然ガス生産の約5%を消費する。世界生産は、現在、毎年約200万トンであり、農業、医薬製造および多くの他の産業のプロセスにてこの化学物質の膨大な需要を反映する。   Ammonia production is a very energy consuming process, consuming 1-3% of the world's electrical energy and about 5% of the world's natural gas production. Global production is currently about 2 million tons annually, reflecting the huge demand for this chemical in agricultural, pharmaceutical manufacturing and many other industrial processes.

また、アンモニアは、化学的なエネルギー担体としてのその有用な特徴により、炭素を含まない太陽エネルギー貯蔵材料と考えられる。太陽エネルギーを貯蔵するのに使用できる他の化学物質(水素など)と比較して、アンモニアは安全であり、環境に優しく、最も重要なのは、COを全く排出しない。このような形で貯蔵すると、エネルギーはアンモニア燃料電池により容易に回収される。 Ammonia is also considered a carbon-free solar energy storage material due to its useful characteristics as a chemical energy carrier. Ammonia is safer, environmentally friendly, and most importantly does not emit any CO 2 compared to other chemicals (such as hydrogen) that can be used to store solar energy. When stored in this manner, energy is readily recovered by the ammonia fuel cell.

100年よりも長い間、アンモニアは、二窒素と水素から鉄系触媒の存在下で、高圧および高温で、下記反応に従って製造されてきた
For more than 100 years, ammonia has been produced from dinitrogen and hydrogen in the presence of an iron-based catalyst at high pressure and high temperature according to the following reaction

この方法は、ハーバー・ボッシュ法として既知であり、過去1世紀にわたって支持されてきた安価な肥料製造において極めて重要なものである。ハーバー・ボッシュ法は、非常に高い温度および圧力を使用し、要求される水素の生産のために、天然ガス、石油または石炭の形態のかなりの量のエネルギーを必要とする。   This method is known as the Harbor-Bosch method and is of great importance in the inexpensive fertilizer production that has been favored over the past century. The Harbor Bosch process uses very high temperatures and pressures and requires a significant amount of energy in the form of natural gas, oil or coal for the required hydrogen production.

増える世界人口を養う必要がある一方で、同時に地球規模での炭素排出を減少させるには、工業的な窒素系肥料の生産と化石燃料の使用との間の結び付きを断つのが非常に望ましい。したがって、アンモニア合成の別の経路への強い関心がある。   While there is a need to support the growing world population, at the same time to reduce global carbon emissions, it is highly desirable to break the link between industrial nitrogen fertilizer production and the use of fossil fuels. Thus, there is strong interest in alternative pathways for ammonia synthesis.

二窒素のアンモニアへの転換のための理想システムは、採算性があり、容易に拡張可能であり、周囲条件で動作し、風力、水力または太陽などの再生可能なエネルギー源に連結されるだろう。電気化学的なアプローチは、潜在的にこの目標を達成することができる。電気化学的な還元プロセスは、開始材料として二窒素ガスを伴い、Hの源として種々の水性電解質またはHガスを使用する。二窒素の電気化学的な還元は、構造、成分、および電解触媒の表面形態に大きく依存する.(van der Hamら,Chemical Society Reviews 43,5183−5191 (2014))。 The ideal system for the conversion of dinitrogen to ammonia would be profitable, easily expandable, operate at ambient conditions, and be connected to renewable energy sources such as wind, water or sun . An electrochemical approach can potentially achieve this goal. The electrochemical reduction process involves dinitrogen gas as the starting material and uses various aqueous electrolytes or H 2 gas as a source of H + . The electrochemical reduction of dinitrogen is largely dependent on the structure, components, and surface morphology of the electrocatalyst. (Van der Ham et al., Chemical Society Reviews 43, 5183-5191 (2014)).

例えば、KoleliおよびRopkeは、メタノール/LiClO/H溶液中のポリアニリン電極を調べ、室温および上昇した圧力で−0.12Vにて16%の最大電流効率(対正常な水素電極)を達成した。(Koleli,F.およびRopke,T.Applied Catalysis B−Environmental 62,306−310,(2006)) For example, Koleli and Ropke examined polyaniline electrodes in methanol / LiClO 4 / H + solution and achieved maximum current efficiency of 16% (vs normal hydrogen electrode) at -0.12 V at room temperature and elevated pressure . (Koleli, F. and Ropke, T. Applied Catalysis B-Environmental 62, 306-310, (2006))

Pt電極を有する膜電極組立て品をベースとした電池を用いることで、Lanらは、空気および水から、周囲温度および圧力および1.6Vの全体の電池電圧で1.14x10−5mol.m−2.s−1のアンモニア生成率を達成した。(Lanら,Scientific Reports 3,(2013))。 By using a battery based on a membrane electrode assembly with a Pt electrode, Lan et al. Demonstrated that, from air and water, 1.14 × 10 −5 mol. m -2 . An ammonia production rate of s -1 was achieved. (Lan et al., Scientific Reports 3, (2013)).

また、アンモニアは、1.2Vの電池電圧および35%のニオブ効率でナノ−Feの溶融水酸化物懸濁液中でNおよび蒸気の混合物を用いて製造される。(Lichtら,Science 345,637−640(2014))。この技術による進歩は、現在のアンモニア産業プロセスとの競合に関してかなり将来性があるが、使用される高い温度(~200℃)が、加熱およびエネルギーの大きな動力を依然として必要とする。今まで、電気化学的な変換は、ハーバー−ボッシュ法を実行可能に置き換えるものとして考えられるほど十分に成功していない。さらに、先行技術の電気化学的な変換は、二窒素固定細菌によって示されるものなどの十分に高い効率のレベルに達していない。(Roscaら,Chemical Reviews,2009,109,2209−2244)。 Further, ammonia is produced using a mixture of N 2 and steam in the molten hydroxide suspension of nano -Fe 2 O 3 at 1.2V battery voltage and 35% niobium efficiency. (Licht et al., Science 3455, 637-640 (2014)). The advancements with this technology have considerable potential for competition with current ammonia industrial processes, but the high temperatures used (~ 200 ° C) still require significant power of heating and energy. Until now, electrochemical conversion has not been sufficiently successful to be considered as a viable replacement for the Haber-Bosch method. Furthermore, prior art electrochemical conversions have not reached levels of efficiency high enough such as those exhibited by dinitrogen fixing bacteria. (Rosca et al., Chemical Reviews, 2009, 109, 2209-2244).

米国特許出願公開第2006/0049063号明細書および米国特許第6,712,950号明細書には、溶融した塩またはイオン性液体などの非水液体電解質中での窒素含有種または二窒素ガスと、水素含有種または水素ガスとからの陽極反応によってアンモニアガスを合成することが記載されている。該方法は、アンモニアを製造するのに、電解質中のN イオンの生産と、その後のアノードでのN イオンの反応を伴う。この方法は、アンモニア生産の実用になる速度を支持するために有用な量のN を溶解できるように媒体を選択する必要があることによって制限される。 U.S. Patent Application Publication No. 2006/0049063 and U.S. Patent No. 6,712,950 disclose the use of nitrogen containing species or dinitrogen gas in a non-aqueous liquid electrolyte such as a molten salt or ionic liquid. It is described to synthesize ammonia gas by anodic reaction with hydrogen-containing species or hydrogen gas. The method involves the production of N 3 - ions in the electrolyte followed by the reaction of N 3 - ions at the anode to produce ammonia. This method is limited by the need to select a medium so that it can dissolve useful amounts of N 3 to support the practical rate of ammonia production.

米国特許出願公開第2016/0138176号明細書(Yooら)には、アルカリ金属(塩)またはイオン性液体の水性または液状電解質を含む電気分解電池を用いてアンモニアを合成する方法が記載されている。該文献には、幅広い範囲のカチオンおよびアニオン(それらの多くが形成する液体塩を形成しない)から形成された電解質を使用することが開示されており、それらの一部は、アンモニア合成の効率に関して安定性および有用性が限定されている。   US Patent Application Publication No. 2016/0138176 (Yoo et al.) Describes a method of synthesizing ammonia using an electrolytic cell containing an aqueous or liquid electrolyte of an alkali metal (salt) or ionic liquid . The document discloses the use of electrolytes formed from a wide range of cations and anions (does not form the liquid salt that many of them form), some of which relate to the efficiency of ammonia synthesis Stability and usefulness are limited.

したがって、新しい電解質を特定することと、アンモニア合成をもたらすカソード二窒素還元の改善した方法が引き続き必要とされている。   Thus, there is a continuing need to identify new electrolytes and an improved method of cathode dinitrogen reduction leading to ammonia synthesis.

水素生成またはCO還元と対照的に、電気触媒または光触媒の非常にわずかな先行技術が、N還元に有用な活性を示すことが報告されている。そのような反応のための要件または可能なメカニズムについてはほとんど知られていない。しかしながら、商業的に実現可能となる二窒素の電気化学的な変換が、二窒素の高い安定性および化学的に不活性な性質によって示される障害を克服する必要があることは知られている。 In contrast to hydrogen production or CO 2 reduction, very little prior art of electrocatalyst or photocatalyst is reported to show useful activity for N 2 reduction. Little is known about the requirements or possible mechanisms for such reactions. However, it is known that the commercially viable electrochemical conversion of dinitrogen needs to overcome the obstacles exhibited by the high stability and chemically inert nature of dinitrogen.

これまでに、触媒開発は、アンモニアの熱合成用の触媒に注目してきた。アンモニア合成のための現在の電気化学触媒は、導電性ポリマー(Koleli,F.およびRopke,T.Applied Catalysis B−Environmental 62,306−310,(2006))、メソNi−Cu合金(Licht ら Science 345,637−640 (2014))、および商用Pt/C触媒(Lanら,Scientific Reports3,(2013))に限定されている。   So far, catalyst development has focused on catalysts for the thermal synthesis of ammonia. Current electrochemical catalysts for ammonia synthesis include conducting polymers (Koleli, F. and Ropke, T. Applied Catalysis B-Environmental 62, 306-310, (2006)), meso Ni-Cu alloys (Licht et al. Science And limited to commercial Pt / C catalysts (Lan et al., Scientific Reports 3, (2013)).

金属ナノ触媒が、燃料電池およびCO還元のために幅広く使用されている。ナノ触媒の性能がそれらの粒径、形態および結晶構造に依存することは周知である。 Metal nanocatalysts are widely used for fuel cells and CO 2 reduction. It is well known that the performance of nanocatalysts depends on their particle size, morphology and crystal structure.

Greenleeらは、電気化学的なアンモニア合成用NiFeナノ触媒の合成を報告している(Nov.8−13,2015,AlChE annual meeting,Salt Lake City,UT https://aiche.confex.com/aiche/2015/webprogram/Paper422270.html)。触媒のさらなる特性評価または性能は報告されなかった。   Greenlee et al. Report the synthesis of electrochemically synthesized NiFe nanocatalysts for ammonia synthesis (Nov. 8-13, 2015, AlChE annual meeting, Salt Lake City, UT https://aiche.confex.com/aiche /2015/webprogram/Paper422270.html). No further characterization or performance of the catalyst was reported.

先行技術の電解触媒は、典型的には二窒素還元にとって高い十分な効率、触媒活性および安定性を有していない。さらに、水への二窒素の低い溶解度(20mg/L、20°C、1bar)により、先行技術での報告にあるように反応速度が低くなる。 Prior art electrocatalysts typically do not have high enough efficiency, catalytic activity and stability for dinitrogen reduction. In addition, the low solubility of dinitrogen in water (20 mg / L, 20 ° C., 1 bar) results in lower reaction rates as reported in the prior art.

本発明の目的は、アンモニアの生産のための効率的な電気化学プロセスを提供することにある。   The object of the present invention is to provide an efficient electrochemical process for the production of ammonia.

本発明の別の目的は、カソード二窒素還元の電気化学的プロセスに適した電気化学電池を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide an electrochemical cell suitable for the electrochemical process of cathode dinitrogen reduction.

本発明の別の目的は、カソード二窒素還元の改善した方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide an improved method of cathode dinitrogen reduction.

本発明の更なる目的は、先行技術の二窒素カソード還元プロセスに関連した少なくとも1つの不利益を軽減することにある。   A further object of the present invention is to alleviate at least one disadvantage associated with the prior art dinitrogen cathode reduction process.

本明細書に記載の実施形態の目的は、関連分野のシステムの上述した欠点の少なくとも1つを克服するか、もしくは軽減することにあるか、または関連した分野のシステムの有用な代替物を少なくとも提供することにある。   The purpose of the embodiments described herein is to overcome or alleviate at least one of the above-mentioned drawbacks of the related art systems, or at least a useful alternative to the related art systems. It is to provide.

本明細書に記載の実施形態の第一の態様では、アンモニアへの二窒素の電気化学的な還元用電池が提供される。該電池は、
− 二窒素の還元のためのナノ構造触媒を含むカソード作用電極と、
− 対電極と、
− 作用電極と接触した1種以上の液体塩を含む電解質と、を含み、液体塩は、
(i) PR1−4(ホスホニウム)、NR1−4(テトラアルキルアンモニウム)、CNR(ピロリジニウム)からなる群より選択されるカチオン(式中、R基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは、1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にハロゲン化されており、任意選択的にヘテロ原子を含み、任意選択的に好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル(アセテート)、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)と、
(ii) (RO)PF6−x(ホスフェート)、(RO)BF4−x(ボレート)、R’SONSOR’(イミド)、R’SOC(SOR’)(SOR’)(メチド)、FSONSOF、CBF、CPF4、RCBF、RCPF4、CFSO(トリフレート)、R’SO(スルホネート)、R’CO、(カルボキシレート)、CFCOO(トリフルオロアセテート)、R’PF6−x(FAP)、R’BF4−x(式中、R’基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは、1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にフッ素化されており、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル(アセテート)、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR’基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるアニオンとの組み合わせから形成される。
In a first aspect of the embodiments described herein, a battery is provided for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia. The battery is
-A cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst for the reduction of dinitrogen;
-Counter electrode,
An electrolyte comprising one or more liquid salts in contact with the working electrode, the liquid salt comprising
(I) Cations selected from the group consisting of PR 1-4 (phosphonium), NR 1-4 (tetraalkyl ammonium), and C 4 H 8 NR 2 (pyrrolidinium) (wherein each of the R groups is independently linear , Branched or cyclic, preferably containing 1 to 18 carbon atoms, optionally partially or completely halogenated, optionally containing heteroatoms, optionally It preferably contains a functional group selected from ether, alcohol, carbonyl (acetate), thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile, and the two R groups combine to form a single ring or a heterocyclic ring. Also good) and
(Ii) (RO) x PF 6-x ( phosphate), (RO) x BF 4 -x ( borate), R'SO 2 NSO 2 R ' ( imide), R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R ') (methide), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3 (trif Rate), R'SO 3 (sulfonate), R'CO 2 , (carboxylate), CF 3 COO (trifluoroacetate), R ' x PF 6-x (FAP), R' x BF 4-x (formula Wherein each R ′ group is independently linear, branched or cyclic, preferably contains 1 to 18 carbon atoms and is optionally partially or completely fluorinated, optionally Preferably, ether, alcohol, carboni (Acetate), which contains a functional group selected from thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile, and two R ′ groups may be combined to form a single ring or a heterocyclic ring). It is formed from the combination with the anion selected from the group.

好ましい実施形態では、液体塩は、Cmpyr(ブチル−メチルピロリジニウム)、P6,6,6,14、(トリヘキシルテトラデシルホスホニウム)、P(C(式中、Rはペルフルオロアルキル)からなる群より選択されるカチオンと、eFAP(CPF)、NfO(ノナフルオロブタンスルホネート)、PFO(ペルフルオロオクタンスルホネート)、FSI(ビス(フルオロスルホニル)イミド)、NTf(ビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド)、B(otfe)(テトラキス(2,2,2−トリフルオロエタン)ホウ酸塩およびCFCOO(トリフルオロアセテート)からなる群より選択されるアニオンとの組み合わせから形成される。 In a preferred embodiment, the liquid salt is C 4 mpyr (butyl-methyl pyrrolidinium), P 6,6,6,14 (trihexyl tetradecyl phosphonium), P (C 2 R f ) 4 , wherein: R f is a cation selected from the group consisting of perfluoroalkyls, eFAP (C 2 F 5 PF 3 ), NfO (nonafluorobutanesulfonate), PFO (perfluorooctanesulfonate), FSI (bis (fluorosulfonyl) imide) , NTf 2 (bis (trifluoromethylsulfonyl) imide), B (otfe) 4 (tetrakis (2,2,2-trifluoroethane) borate, and CF 3 COO (trifluoroacetate); In combination with the anion.

特に好ましい実施形態では、液体塩は、PR1−4(ホスホニウム)カチオンから選択されるカチオンを含む。 In a particularly preferred embodiment, the liquid salt comprises a cation selected from PR 1-4 (phosphonium) cations.

特に好ましい実施形態では、液体塩は、RSO(スルホネート)カチオン、特にペルフルオロブタンスルホネートまたはペルフルオロプロパンスルホネート、またはトリフルオロホスフェート、特にeFAP(トリス(ペルフルオロエチル)トリフルオロホスフェート)から選択されるアニオンを含む。 In a particularly preferred embodiment, the liquid salt comprises an anion selected from RSO 3 (sulfonate) cations, in particular perfluorobutanesulfonate or perfluoropropanesulfonate, or trifluorophosphates, in particular eFAP (tris (perfluoroethyl) trifluorophosphate). .

別の好ましい実施形態では、液体塩のカチオンおよび/またはアニオンはフッ素化されているか、またはペルフルオロ化されている。   In another preferred embodiment, the cations and / or anions of the liquid salt are fluorinated or perfluorinated.

また、比較的高い窒素溶解度(例えば、イミダゾリウム塩、およびジシアナミドのようなニトリル系アニオンなどの先行技術の液体塩と比較して)を有するのが特に好ましい。   It is also particularly preferred to have relatively high nitrogen solubility (eg, as compared to prior art liquid salts such as imidazolium salts and nitrile anions such as dicyanamide).

アンモニアへの二窒素の電気化学的な還元用電池の特に好ましい実施形態では、アンモニアへの二窒素の還元が、カソード作用電極の作用面上の3相の境界に隣接した領域にて主に生じる。   In a particularly preferred embodiment of the cell for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia, the reduction of dinitrogen to ammonia mainly occurs in the region adjacent to the three-phase boundary on the working surface of the cathode working electrode. .

典型的には、ナノ構造電解触媒が、カソード作用電極の作用面に適用されて、電気分解が主に起こるガス/電解質/金属の3相の境界領域を生じる。   Typically, a nanostructured electrocatalyst is applied to the working surface of the cathode working electrode to create a gas / electrolyte / metal three phase boundary region where electrolysis mainly occurs.

電気分解電池は、電解反応を実施し、電極間の電流を制御するための当業者に周知の他の特徴を含み得る。例えば、電気分解電池は、加熱器、冷却ユニットまたは加圧手段などの周知の手段を用いて操作の温度または圧力を制御するように構成され得る。さらに、電池は、20kHzを超えるエネルギーの音波を生成する超音波発生装置を含み得る。   Electrolytic cells can include other features well known to those skilled in the art for performing the electrolytic reaction and controlling the current between the electrodes. For example, the electrolytic cell can be configured to control the temperature or pressure of operation using known means such as a heater, cooling unit or pressurizing means. Additionally, the battery may include an ultrasound generator that generates sound waves of energy above 20 kHz.

電気分解電池は、好ましくは、窒素および水素または水蒸気を含むガスの流れを電池へ導入させる機能を有するガス流層と、アンモニアを含有するガスの出口とを含む。アンモニアは、任意選択的に電池の外側で回収される。   The electrolytic cell preferably comprises a gas flow layer having the function of introducing into the cell a stream of nitrogen and hydrogen or a gas comprising steam, and an outlet of the gas containing ammonia. Ammonia is optionally recovered outside the cell.

さらなる実施形態では、本発明に従う2つ以上の電池が直列に積層される場合、組立て品が形成され得る。1つ以上の積層電池が、さらに折り畳まれ得るか、または巻かれ得る。ガスは、組立て品の最も長い寸法の「端」から、または組立て品のいずれかの側からを含むいずれの便利な位置で導入できる。   In a further embodiment, an assembly can be formed if two or more cells according to the invention are stacked in series. One or more stacked cells may be further folded or wound. The gas can be introduced at any convenient location, including from the "end" of the longest dimension of the assembly or from either side of the assembly.

本明細書に記載の実施形態の第2の態様では、アンモニアへの二窒素の電気化学的な還元方法が提供される。該方法は、
(1)ナノ構造触媒を含むカソード作用電極を1種以上の液体塩を含む電解質と接触させるステップと、
(2)二窒素および水素の源を電解質に導入するステップと、を含み、
液体塩は、
(i) PR1−4(ホスホニウム)、NR1−4(テトラアルキルアンモニウム)、CNR(ピロリジニウム)(式中、R基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは、1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にハロゲン化されており、任意選択的にヘテロ原子を含み、任意選択的に好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル(アセテート)、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるカチオンと、
(ii) (RO)PF6−x(ホスフェート)、(RO)BF4−x(ボレート)、R’SONSOR’(イミド)、R’SOC(SOR’)(SOR’)(メチド)、FSONSOF、CBF、CPF4、RCBF、RCPF4、CFSO(トリフレート)、R’SO(スルホネート)、R’CO、(カルボキシレート)、CFCOO(トリフルオロアセテート)、R’PF6−x(FAP)、R’BF4−x(式中、R’基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは、1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にフッ素化されており、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル(アセテート)、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR’基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるアニオンとの組み合わせから形成され、二窒素は、カソード作用電極でアンモニアに還元される。
In a second aspect of the presently described embodiments, a method of electrochemically reducing dinitrogen to ammonia is provided. The method is
(1) contacting a cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst with an electrolyte comprising one or more liquid salts;
(2) introducing a source of dinitrogen and hydrogen into the electrolyte;
Liquid salt is
(I) PR 1-4 (phosphonium), NR 1-4 (tetraalkyl ammonium), C 4 H 8 NR 2 (pyrrolidinium) (wherein the R groups are each independently linear, branched or cyclic, Preferably, it contains 1 to 18 carbon atoms, optionally partially or completely halogenated, optionally containing a heteroatom, and optionally preferably an ether, alcohol, carbonyl ( Acetate), a functional group selected from thiols, sulfoxides, sulfonates, amines, azos or nitriles, and two R groups may be combined to form a single ring or a heterocyclic ring). The cation to be selected
(Ii) (RO) x PF 6-x ( phosphate), (RO) x BF 4 -x ( borate), R'SO 2 NSO 2 R ' ( imide), R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R ') (methide), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3 (trif Rate), R'SO 3 (sulfonate), R'CO 2 , (carboxylate), CF 3 COO (trifluoroacetate), R ' x PF 6-x (FAP), R' x BF 4-x (formula Wherein each R ′ group is independently linear, branched or cyclic, preferably contains 1 to 18 carbon atoms and is optionally partially or completely fluorinated, optionally Preferably, ether, alcohol, carboni (Acetate), which contains a functional group selected from thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile, and two R ′ groups may be combined to form a single ring or a heterocyclic ring). Formed from the combination with anions selected from the group, dinitrogen is reduced to ammonia at the cathode working electrode.

該方法は、カソード作用電極で生成したアンモニアを回収し、存在する他の液体およびガスから別個のトラップまたは分離ユニットを用いてアンモニアを分離することを含むステップ(3)をさらに含み得る。   The method may further comprise a step (3) comprising recovering the ammonia generated at the cathode working electrode and separating the ammonia from other liquid and gas present using a separate trap or separation unit.

典型的には、二窒素が、カソード作用電極で水素の源、好ましくは水素ガスまたは水の存在下でアンモニアに還元される。該方法の特に好ましい実施形態では、二窒素ガスが、制御された程度に水蒸気で加湿され、その後、加湿ガスが、二窒素が電気化学的に還元されてアンモニアを形成するカソードにわたって流される。   Typically, dinitrogen is reduced to ammonia at the cathode working electrode in the presence of a source of hydrogen, preferably hydrogen gas or water. In a particularly preferred embodiment of the method, dinitrogen gas is humidified with steam to a controlled degree, and then the humidification gas is flowed over the cathode where dinitrogen is electrochemically reduced to form ammonia.

典型的には、水素の源が水である場合、陽極の対電極がカソードで形成されたヒドロキシルイオンを水および酸素に転換する。   Typically, when the source of hydrogen is water, the counter electrode of the anode converts hydroxyl ions formed at the cathode to water and oxygen.

対電極が、作用電極と同じ電解質中に設置され得るか、または別の方法として、電解質膜またはセパレータ材料などのいくつかの手段によって分離され得る。別の実施形態では、対電極は、水溶液などの異なる電解質媒体を任意選択的に含有する区画内に位置され得る。   The counter electrode may be placed in the same electrolyte as the working electrode, or alternatively may be separated by some means such as an electrolyte membrane or a separator material. In another embodiment, the counter electrode may be located in a compartment that optionally contains a different electrolyte medium, such as an aqueous solution.

対電極の反応は、水酸化であり得るか、または亜硫酸エステル酸化などの別の好都合な酸化反応であり得る。   The reaction of the counter electrode may be hydroxylation or another convenient oxidation reaction such as sulfite oxidation.

電解質
作用電極と接触する電解質は、1種以上の塩を含み得、それらの塩は、固体または液体状態、またはそれらの組み合わせであり得る。
Electrolyte The electrolyte in contact with the working electrode may comprise one or more salts, which may be in solid or liquid state, or a combination thereof.

電解質は、典型的には層の形態である。好ましくは、電解質は、スペーサまたは電解質膜(それ自体電解質として作用し得る)、例えばNafion(商標)またはNafion(商標)−液体塩ブレンドなどのポリマー電解質、またはゲル状液体塩電解質を含むか、あるいは紙またはCeleguard(商標)などの多孔質セパレータに浸漬された電解質である。   The electrolyte is typically in the form of a layer. Preferably, the electrolyte comprises a spacer or electrolyte membrane (which itself can act as an electrolyte), eg a polymer electrolyte such as NafionTM or NafionTM-liquid salt blend, or a gelled liquid salt electrolyte, or It is an electrolyte immersed in a porous separator such as paper or CeleguardTM.

本発明のさらなる実施形態では、本発明の電池への使用のために本明細書に記載されている1種以上の液体塩と組み合わせた材料の薄層を含む電解質膜が提供される。   In a further embodiment of the present invention, there is provided an electrolyte membrane comprising a thin layer of material in combination with one or more liquid salts described herein for use in the battery of the present invention.

好ましくは、本発明の電解質は、二窒素に対して高い溶解度、水に対して低い溶解度を有する。好ましくは、二窒素の溶解度は電池の動作温度および圧力において少なくとも100mg/L、より好ましくは200mg/L超、最も好ましくは溶解度は400mg/L超である.液体塩における水の溶解度は、好ましくは電池の動作温度および圧力において5質量%未満、より好ましくは2%未満、最も好ましくは1%未満である。   Preferably, the electrolyte of the present invention has high solubility in dinitrogen and low solubility in water. Preferably, the solubility of dinitrogen is at least 100 mg / L, more preferably more than 200 mg / L, most preferably more than 400 mg / L at the operating temperature and pressure of the cell. The solubility of water in the liquid salt is preferably less than 5% by weight, more preferably less than 2%, most preferably less than 1% at the operating temperature and pressure of the cell.

液体塩
本明細書で、液体塩は、使用温度で液体であり、1種以上の塩(それぞれ、それらの純粋な状態で固体または液体であり得る)を含有する電解質媒体を指すものとする。塩は、いずれの適した金属塩、有機塩、プロトン酸塩、錯イオン塩または同種のものから選択され得る。
Liquid Salt As used herein, liquid salt is intended to refer to an electrolyte medium which is liquid at the temperature of use and which contains one or more salts, which may be solid or liquid in their pure state, respectively. The salt may be selected from any suitable metal salt, organic salt, protonate, complex ion salt or the like.

また、液体塩媒体は、固体塩を混合して望ましい特徴の液体塩を生成することによって形成することができる。   Also, a liquid salt medium can be formed by mixing solid salts to produce a liquid salt of desired characteristics.

液体塩媒体は、水、または液体塩電解質と混和可能である他の分子性液体を含む追加の成分を含有し得る。当業者であれば理解するように、そのような材料としては、ジメチルスルホキシド、テトラグライム、および他のオリゴ−およびポリ−エーテル、グルタロニトリルおよび他の高沸点ニトリル、トリフルオロトルエンおよび他の完全にまたは部分的にフッ素化した溶媒、およびプロピレンカーボネートおよび他のカーボネート溶媒が挙げられる。分子性液体成分が揮発性物質である場合、Nガス流は、ガス流が還元電池に通じる前に分子性溶媒の容器を通してバブリングすることによって予め飽和させることができ、生成ガス流における電池の外側へ通じるいずれの分子性液体も凝縮するか、または再使用のために捕捉することができる。好ましくは、分子性液体はフッ素化されているか、またはペルフルオロ化されている。好ましくは、分子性液体は、90vol%〜0.1vol%、より好ましくは20vol%〜0.2vol%、最も好ましくは50vol%〜0.5vol%の濃度で液体塩媒体中に存在する。 The liquid salt medium may contain additional components, including water or other molecular liquids that are miscible with the liquid salt electrolyte. As those skilled in the art will appreciate, such materials include dimethylsulfoxide, tetraglyme and other oligo- and poly-ethers, glutaronitrile and other high boiling nitriles, trifluorotoluene and other complete And partially fluorinated solvents, and propylene carbonate and other carbonate solvents. If the molecular liquid component is a volatile substance, the N 2 gas stream can be presaturated by bubbling through the vessel of molecular solvent before the gas stream is passed to the reduction cell, and Any molecular liquid leading to the outside can either condense or be captured for reuse. Preferably, the molecular liquid is fluorinated or perfluorinated. Preferably, the molecular liquid is present in the liquid salt medium at a concentration of 90 vol% to 0.1 vol%, more preferably 20 vol% to 0.2 vol%, most preferably 50 vol% to 0.5 vol%.

液体塩を含む電解質は、プロセスの反応が生じる、イオン導電性の、水含量が低い媒体をもたらす。また、本発明の電解質は、揮発性が低いかまたはゼロであるという利点をもたらし、一部のガスは、水よりも、液体塩を含むこれらの電解質により可溶である。特に、液体塩を含む一部の電解質は、Nガスに対する可溶性を上昇させることができ(水性および他の電解質と比較して)、それによって、電解質/電極界面でのNの濃度を増加させることができる。 Electrolytes containing liquid salts result in an ionically conductive, low water content medium in which process reactions occur. Also, the electrolytes of the present invention offer the advantage of low or no volatility, and some gases are more soluble in these electrolytes, including liquid salts, than water. In particular, some electrolytes, including liquid salts, can increase their solubility in N 2 gas (compared to aqueous and other electrolytes), thereby increasing the concentration of N 2 at the electrolyte / electrode interface It can be done.

本明細書に記載の実施形態の別の態様では、本発明は、本発明の方法に従うアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元用の電解質媒体を提供し、該媒体は、二窒素に対する高い溶解度および水に対する低い溶解度を有する1種以上の液体塩を含む。   In another aspect of the presently described embodiments, the present invention provides an electrolyte medium for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia according to the method of the present invention, said medium being high relative to dinitrogen It contains one or more liquid salts with solubility and low solubility in water.

好ましい実施形態では、電解質は、高いN溶解度を示すことから、1種以上のeFAP液体塩を含む(S.Stevanovicら,Chem.Thermodynamics 59(2013)65−71参照)。 In a preferred embodiment, the electrolyte comprises one or more eFAP liquid salts, as it exhibits high N 2 solubility (see S. Stevanovic et al., Chem. Thermodynamics 59 (2013) 65-71).

また、液体塩を含む電解質は、電気化学反応に対する制御した水の活性を提供し、N還元を支持するのに十分高いが、Hへの水の急速な還元を支持するほど高くはない疎水度を示し得る。好ましい実施形態では、電解質は、P6,6,6,14カチオンに基づく疎水性液体を1種以上含む。特に好ましい実施形態では、電解質は、液体塩[P6,6,6,14][eFAP]から実質的になる。 Also, electrolytes containing liquid salts provide controlled water activity for electrochemical reactions and are high enough to support N 2 reduction but not high enough to support rapid reduction of water to H 2 It can indicate the degree of hydrophobicity. In a preferred embodiment, the electrolyte comprises one or more hydrophobic liquids based on P 6,6,6,14 cations. In a particularly preferred embodiment, the electrolyte consists essentially of the liquid salt [P 6,6,6,14 ] [eFAP].

特に好ましい実施形態では、電解質は、使用前に、水酸化物水溶液と接触させることなどによって予備状態調節される。理論に縛られるものではないが、予備状態調節によって、微量のOHが液体塩に導入され、本発明の電解質の定められたプロトン活性をもたらす。 In a particularly preferred embodiment, the electrolyte is preconditioned, such as by contact with an aqueous hydroxide solution, prior to use. Without being bound by theory, by preconditioning, traces of OH - are introduced into the liquid salt, resulting in the defined proton activity of the electrolyte of the invention.

本発明に従う電池の電解質材料に適用される温度範囲は、−35〜200℃、好ましくは0℃〜150℃、最も好ましくは15℃〜130℃であり得る。   The temperature range applied to the electrolyte material of the battery according to the invention may be -35 to 200 ° C, preferably 0 ° C to 150 ° C, most preferably 15 ° C to 130 ° C.

適用の圧力範囲は、典型的に0.7barの窒素圧〜100barの窒素圧、好ましくは1bar〜30bar、最も好ましくは1bar〜12barである。圧力は連続的、すなわち一定であり得るか、または時間とともに常に増加する。別の方法として、圧力は不連続、すなわち時間とともにパルス状であり得、前記範囲内でより高い圧力値とより低い圧力値との間を交互に行く。   The pressure range of application is typically from 0.7 bar nitrogen pressure to 100 bar nitrogen pressure, preferably from 1 bar to 30 bar, most preferably from 1 bar to 12 bar. The pressure can be continuous, ie constant, or always increase with time. Alternatively, the pressure may be discontinuous, ie pulsed with time, alternating between higher and lower pressure values within said range.

圧力と温度の組み合わせは、N溶解度および電気化学反応速度論が上昇するようにし、かつアンモニアを、その凝集点に近いが、それよりも下で生成させるように選択し得る(例えば25℃で10barまたは79℃で40bar)。 The combination of pressure and temperature causes the N 2 solubility and electrochemical kinetics to rise, and ammonia can be selected to be generated near but below its aggregation point (eg at 25 ° C.) 10 bar or 40 bar at 79 ° C).

典型的に、連続的な電流が、カソード作用電極と対電極との間を通過するが、風力太陽光発電パネル動力駆動プロセスなどの一部の用途では、断続的なまたはパルス状の電流が適したものであり得る。   Typically, continuous current is passed between the cathode working electrode and the counter electrode, but in some applications, such as a wind power solar panel powered drive process, intermittent or pulsed current is suitable It can be

ナノ構造触媒
本明細書に記載の実施形態の第3の態様では、アンモニアへの二窒素の電気化学的な還元用触媒が提供される。該触媒は、二重層容量で示され、隣接した電解質層で測定された、0.1mF/cm超、好ましくは1mF/cm超の高い電気化学作用面領域を有するナノ構造材料を含む。
Nanostructured Catalysts In a third aspect of the presently described embodiments, there is provided a catalyst for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia. The catalyst is indicated by double layer capacity was determined by adjacent electrolyte layer, 0.1 mF / cm 2, preferably above includes nanostructured materials having a high electrochemical activity surface area of 1 mF / cm 2 greater.

好ましくは、ナノ構造触媒は、元素金属または金属を含む無機化合物の形態の金属を1種以上含む。ナノ構造触媒は、個別の粒子またはシートまたはフィルムまたは3次元構造の形態であり得る。ナノ構造触媒は、1nm〜1000nmの範囲の少なくとも1種の寸法を有するいずれの形状でもあり得る形態学的特徴を具体化する。   Preferably, the nanostructured catalyst comprises one or more metals in the form of elemental metals or inorganic compounds comprising metals. The nanostructured catalyst may be in the form of discrete particles or sheets or films or three dimensional structures. The nanostructured catalyst embodies morphological features that may be any shape having at least one dimension in the range of 1 nm to 1000 nm.

適した金属としては、Fe、Ru、Mo、Cu、Pd、Ti、CeおよびLaを含む遷移金属またはランタニド金属のいずれか並びにそれらの他の金属および半金属との合金が挙げられる。   Suitable metals include any of the transition or lanthanide metals including Fe, Ru, Mo, Cu, Pd, Ti, Ce and La and alloys thereof with other metals and metalloids.

上述した金属は、金属の酸化物または硫化物で表面装飾され得るか、または金属とその酸化物または硫化物との複合体が形成され得る。   The metals mentioned above may be surface decorated with oxides or sulfides of the metal or complexes of the metal and its oxide or sulfide may be formed.

また、触媒は、硫化物で架橋した2種の金属からなる金属錯体を含む。好ましくは、金属はFeおよびMoである。   The catalyst also contains a metal complex consisting of two metals bridged by sulfide. Preferably, the metals are Fe and Mo.

触媒ナノ粒子フィルムは、好ましくはサイクリックボルタンメトリーまたはパルス状ボルタンメトリー電着方法によって調製し得る。   The catalyst nanoparticle film can be prepared preferably by cyclic voltammetry or pulsed voltammetric electrodeposition method.

別の好ましい実施形態では、触媒は、PEDOTなどの導電性ポリマー材料を含み得る。   In another preferred embodiment, the catalyst may comprise a conductive polymer material, such as PEDOT.

さらに別の好ましい実施形態では、触媒は、ドープした炭素材料、特にNおよび/またはSドープした炭素を含み得る。   In yet another preferred embodiment, the catalyst may comprise a doped carbon material, in particular N and / or S doped carbon.

触媒は、好ましくは導電性で、化学的に不活性な支持体上に支持されるか、または装飾される。適した支持体としては、フッ素ドープした酸化スズ、グラフェン、還元したグラフェン酸化物、多孔質炭素、炭素布、炭素ナノチューブ、導電ポリマーおよび多孔質金属が挙げられる。   The catalyst is preferably supported or decorated on a conductive, chemically inert support. Suitable supports include fluorine-doped tin oxide, graphene, reduced graphene oxide, porous carbon, carbon cloth, carbon nanotubes, conductive polymers and porous metals.

ファラデー効率は先行技術の関連したプロセスの注目すべき欠陥である。ファラデー効率は、N還元反応に利用される電流の一部を表すのに使用され得る。残る一部、すなわち、(100−ファラデー効率)%は、Hおよびヒドラジンの生成を含む望ましくない副反応で消費される。これらの副産物は無駄なエネルギーを示し、望ましい製品からの複雑な分離方法も要する。本発明の目的の1つは、アンモニアの比較的高いファラデー効率での調製方法を提供することにある。 Faraday efficiency is a notable defect of related processes of the prior art. Faraday efficiency can be used to represent a portion of the current utilized for the N 2 reduction reaction. The remaining part, ie (100-Faraday efficiency)%, is consumed with unwanted side reactions including the formation of H 2 and hydrazine. These by-products represent wasted energy and also require complex separation methods from the desired product. One of the objects of the present invention is to provide a process for the preparation of ammonia with relatively high Faraday efficiency.

他の態様および好ましい形態は、明細書に開示されるか、かつ/または添付の特許請求の範囲にて定められ、本発明の説明の一部である。   Other aspects and preferred embodiments are disclosed in the specification and / or defined in the appended claims and are part of the description of the invention.

本質的に、本発明の実施形態は、アンモニア生産の効率が、溶解したNガスの濃度を増加させる特定の非水電解質を選択することで改善でき、還元反応の二窒素の活性を増加させる一方で、H生成などの望ましくない競合反応の速度を減少させる特定の均一触媒反応の役割を果たすという認識に由来する。特定のナノ構造触媒を用いることで効率がさらに改善される。 In essence, embodiments of the present invention can improve the efficiency of ammonia production by selecting a specific non-aqueous electrolyte that increases the concentration of dissolved N 2 gas, increasing the dinitrogen activity of the reduction reaction On the one hand, it derives from the recognition that it plays a role in certain homogeneous catalysis which reduces the rate of undesirable competing reactions such as H 2 formation. The efficiency is further improved by using a specific nanostructured catalyst.

先行技術のプロセスと比較した本発明によって提供される利点としては、以下のものが挙げられる:
・高いファラデー効率での二窒素のアンモニアへの変換;
・反応が周囲温度および圧力で実施できる;
・電解質における二窒素の溶解度がより大きい;
・還元反応における二窒素の活性増加;
・H生産などの望ましくない競合反応の速度がより低い;
・水が水素源として使用でき、それ故に余分な水素を必要としない;
・適した触媒が、安く、地球で豊富な材料から利用できる;
・電解質の腐食性が高くない。
The advantages provided by the present invention compared to prior art processes include:
Conversion of dinitrogen to ammonia with high Faraday efficiency;
The reaction can be carried out at ambient temperature and pressure;
Greater solubility of dinitrogen in the electrolyte;
・ Increased activity of dinitrogen in reduction reaction;
Lower speed of undesirable competing reactions such as H 2 production;
Water can be used as a source of hydrogen and hence does not require extra hydrogen;
-Suitable catalysts are cheap and available from abundant materials on earth;
・ The corrosiveness of the electrolyte is not high.

本発明の実施形態の適用性のさらなる範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、本開示の精神および範囲内の種々の変化および改変がこの詳細な説明から当業者に明らかであることから、詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示に過ぎないことが理解されるべきである。   Further scope of the applicability of embodiments of the present invention will become apparent from the following detailed description. However, since various changes and modifications within the spirit and scope of the present disclosure will be apparent to those skilled in the art from this detailed description, the detailed description and the specific examples illustrate preferred embodiments of the present invention, but are illustrative. It should be understood that only

本願の好ましいおよび他の実施形態のさらなる開示、目的、利点および態様が、添付の図面と共に以下の実施形態の説明を参照した当業者に良く理解され、該図面は例示に過ぎず、本開示を限定するものではない。
本発明に従うN還元用の典型的な電気化学電池を示す模式図である。 本発明に従い、ハイブリッド電極に基づくN還元電池の概略図である。 直列接続で積層された図2に記載の電池を示す、本発明に従う積層したN還元電池配置の概略図である。
Further disclosure, objects, advantages and aspects of the preferred and other embodiments of the present application will be better understood by those skilled in the art who made reference to the following description of the embodiments in conjunction with the accompanying drawings, which are by way of illustration only. It is not limited.
FIG. 1 is a schematic view showing a typical electrochemical cell for N 2 reduction according to the present invention. FIG. 1 is a schematic of a hybrid electrode based N 2 reduction battery according to the present invention. FIG. 3 is a schematic view of a stacked N 2 reduction cell arrangement according to the invention showing the cells according to FIG. 2 stacked in series connection.

略語
本明細書で使用される場合、略語は以下の化学種を指す。
B(otfe) − テトラキス(2,2,2−トリフルオロエタノキシ)ホウ酸塩(B(OCHCF
mpyr − ブチル−メチルピロリジニウム
EMIM − エチルメチルイミダゾリウム
eFAP − トリス(ペルフルオロエチル)トリフルオロホスフェート
FSI − ビス(フルオロスルホニル)イミド((FSON)
HMIM − ヘキシルメチルイミダゾリウム
NfO − ノナフルオロブタンスルホネート(CF(CFSO
NTf2 − ビス(トリフルオロメチルスルホニル)アミド
6,6,6,14 − トリヘキシルテトラデシルホスホニウム
1,4,4,4 − トリブチルメチルホスホニウム
PEDOT − ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)
ペルフルオロブチルスルホネート(FSO
PFO − ペルフルオロオクタンスルホネート(F17SO
PFB − ペルフルオロブチレート
− ペルフルオロアルキル−(CFn−1(CF)(n=偶数)
Abbreviations As used herein, abbreviations refer to the following chemical species:
B (OTFE) 4 - tetrakis (2,2,2-trifluoroethene Tano carboxymethyl) borate (B (OCH 2 CF 3) 4)
C 4 mpyr-butyl-methyl pyrrolidinium EMIM-ethylmethyl imidazolium eFAP-tris (perfluoroethyl) trifluorophosphate FSI-bis (fluorosulfonyl) imide ((FSO 2 ) 2 N)
HMIM-Hexylmethylimidazolium NfO-nonafluorobutanesulfonate (CF 3 (CF 2 ) 3 SO 3 )
NTf2-Bis (trifluoromethylsulfonyl) amide P 6,6,6,14 -trihexyltetradecylphosphonium P 1,4,4,4 -tributylmethylphosphonium PEDOT-poly (3,4-ethylenedioxythiophene)
Perfluorobutyl sulfonate (F 9 C 4 SO 3 )
PFO-perfluorooctane sulfonate (F 17 C 8 SO 3 )
PFB-perfluorobutyrate R f -perfluoroalkyl- (CF 2 ) n-1 (CF 3 ) (n = even number)

詳細な説明
本発明を以下の非限定的な例を参照してさらに説明する。これらの例は、液体塩電解質における新しい触媒材料の電極触媒活性を調べるものである。
Detailed Description The invention will be further described with reference to the following non-limiting examples. These examples examine the electrocatalytic activity of new catalyst materials in liquid salt electrolytes.

また、例は、化学的および電着の方法を用いる種々の金属ナノ構造物(ナノ粒子またはフィルム)に基づく電極の製造および1種以上の液体塩を含む電解質におけるそれらの電極触媒特性の調査を例示する。液体塩を含む電解質を用いて、二窒素が、先行技術のプロセスの室温効率を超える、周囲温度および圧力での>60%のファラデー効率でアンモニアにうまく変換された。   Also, examples illustrate the preparation of electrodes based on various metal nanostructures (nanoparticles or films) using chemical and electrodeposition methods and investigation of their electrocatalytic properties in electrolytes containing one or more liquid salts. I will illustrate. Using an electrolyte containing a liquid salt, dinitrogen was successfully converted to ammonia with> 60% Faraday efficiency at ambient temperature and pressure, which exceeds the room temperature efficiency of the prior art process.

液体塩に基づくプロセスを利用する本発明の方法は、二窒素の溶解度を顕著に増加させることができるのみならず、還元反応における二窒素の活性を増加させるのと同時に、H生産などの望ましくない競合反応の速度を低くする特定の均一触媒反応の役割を果たす。 The process of the present invention which utilizes a liquid salt based process not only can significantly increase the solubility of dinitrogen but also increases the activity of dinitrogen in the reduction reaction while at the same time making it desirable to produce H 2 etc. Not play a role in certain homogeneous catalysis which lowers the rate of competing reactions.

FeをベースとしたN電解還元触媒フィルムを、市販のフッ素ドープした酸化スズまたは多孔質金属(または炭素)基板上へFeを電着させることによって調製した。フッ素ドープした酸化スズで被覆したガラスは導電性であり、幅広い範囲の装置での使用に理想的である。フッ素ドープした酸化スズは、大気条件下で比較的安定であり、化学的に不活性であり、機械的に硬く、高温耐熱であり、物理的摩耗に対する高い耐性を有する。ステンレス鋼メッシュまたは布が高い表面積の基板として有用である。 Fe based N 2 electroreduction catalyst films were prepared by electrodepositing Fe onto a commercially available fluorine-doped tin oxide or porous metal (or carbon) substrate. The fluorine-doped tin oxide coated glass is conductive and is ideal for use in a wide range of devices. Fluorine-doped tin oxide is relatively stable under atmospheric conditions, chemically inert, mechanically hard, heat resistant to high temperatures, and has high resistance to physical abrasion. Stainless steel mesh or cloth is useful as a high surface area substrate.

堆積電解質は、10mM FeSO、10mM NaOHおよび10mmクエン酸からなる。電着は、フッ素ドープした酸化スズガラス、Tiメッシュ、および飽和塩化第一水銀電極(SCE)を、それぞれ作用電極、対電極および参照電極として用いる3電極システムを使用するポテンシオスタットによって制御した。このタイプの典型的な電着は、−1.8V〜−0.8Vのサイクリックボルタンメトリー方法を用いて行った。黒色で光沢あるフィルムが数周期後に形成された。周期の数を変えることで、フィルムの厚さの制御が可能となり、典型的なフィルムは、20mVs−1の走査速度で10周期によって電着される。 The deposited electrolyte consists of 10 mM FeSO 4 , 10 mM NaOH and 10 mm citric acid. Electrodeposition was controlled by a potentiostat using a three-electrode system, using fluorine-doped tin oxide glass, Ti mesh, and saturated mercuric chloride electrode (SCE) as working, counter and reference electrodes, respectively. Typical electrodeposition of this type was performed using cyclic voltammetry method of -1.8V to -0.8V. A black, glossy film was formed after several cycles. Varying the number of cycles allows control of the thickness of the film, and a typical film is electrodeposited by 10 cycles at a scan rate of 20 mVs- 1 .

フィルムは、走査電子顕微鏡(SEM)、透過電子顕微鏡(TEM)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)、および電気化学表面領域(ECSA)測定によって特徴付けられた。   The films were characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), and electrochemical surface area (ECSA) measurements.

カソード還元
Fe/フッ素ドープした酸化スズ(または多孔質金属)電極および白金ワイヤをそれぞれ参照電極および対電極として用いて、3電極システムにて電気化学的なN還元を行った。サイクリックボルタンメトリーを1つの区画の電池にて測定する一方で、ガラスフリットと区切って対電極を分離することによって分離した電池にてN還元を行った。典型的な還元を−1.2V vs Ptで3時間実施した。
N 2 cathodic reduction Electrochemical N 2 reduction was performed in a three electrode system using Fe / fluorine doped tin oxide (or porous metal) electrode and platinum wire as reference and counter electrodes respectively. Cyclic voltammetry while measuring at a cell of one compartment, was N 2 reduction at a cell separated by separating the counter electrode separated with a glass frit. A typical reduction was performed at -1.2 V vs Pt for 3 hours.

電解質へのバブリングの前に、Nガスを水トラップに通して泡立てて、水を飽和させた。ガス流を弱い酸溶液(1mM HSO)に通すことによって、出口ガスにて運ばれた合成したアンモニアを捕捉した。 Before bubbling to the electrolyte, N 2 gas was bubbled through a water trap to saturate the water. The synthetic ammonia carried at the outlet gas was captured by passing the gas stream through a weak acid solution (1 mM H 2 SO 4 ).

生成物分析
ガス相で製造したアンモニアを泡立て、1mM HSO溶液を通じて回収した。電解還元の完了後にイオン性液体に残存するアンモニアを、イオン性液体を1mM KOHで洗浄することによって抽出した。アンモニアの総量は、酸トラップおよび塩基性洗浄溶液中のアンモニアの合計であり、後にインドフェノールブルー方法を用いて定量した。
Product Analysis Ammonia produced in the gas phase was bubbled and recovered through a 1 mM H 2 SO 4 solution. The ammonia remaining in the ionic liquid after completion of the electrolytic reduction was extracted by washing the ionic liquid with 1 mM KOH. The total amount of ammonia is the sum of ammonia in the acid trap and the basic wash solution and was later quantified using the indophenol blue method.

典型的な分析では、0.5mlの0.5M次亜塩素酸ナトリウムを0.5mlの一定分量の溶液に添加し、その後、5%(質量)のサリチル酸および5%(質量)のクエン酸ナトリウムを有する0.05mlの1MNaOH、並びに0.01mlの0.5%(質量)ニトロフェリシアン化ナトリウムを添加した。2時間後、700nmでの溶液の吸収を、UV−Visスペクトロメーターで測定した。対照の実験を行って、1mM HSOまたは1mM KOH溶液に異なる濃度のNHClを添加することによって分析方法を有効にした。 In a typical analysis, 0.5 ml of 0.5 M sodium hypochlorite is added to a 0.5 ml aliquot solution, followed by 5% (by mass) salicylic acid and 5% (by mass) sodium citrate Was added, and 0.01 ml of 0.5% (by mass) sodium nitroferricyanide was added. After 2 hours, the absorption of the solution at 700 nm was measured with a UV-Vis spectrometer. Control experiments were performed to validate the analytical method by adding different concentrations of NH 4 Cl to 1 mM H 2 SO 4 or 1 mM KOH solution.

6電子プロセス、すなわち、
に基づいて誘導電流効率を計算した。
6 electronic processes,
The induced current efficiency was calculated based on.

図1は、本発明に従う典型的なN還元用電気化学電池を示す模式図であり、該電池は、電源(1)と、カソード(2)と、膜(3)と、アノード(4)とを含む。プロセスでの対電極反応は、図示されるように水または水酸化物酸化であり得る。別の方法として、望ましい製品が肥料硫酸アンモニウムである場合、対電極反応は、SO −2からSO −2であり得る。後者の利点は、プロセスの総エネルギーコストが、酸素がカソード反応生成物である場合よりも低いことである。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a typical electrochemical cell for reduction of N 2 according to the present invention, which cell comprises a power source (1), a cathode (2), a membrane (3) and an anode (4). And. The counter electrode reaction in the process may be water or hydroxide oxidation as shown. Alternatively, if desired the product is a fertilizer ammonium sulfate, the counter electrode reaction may be SO 4 -2 from SO 3 -2. The latter advantage is that the total energy cost of the process is lower than when oxygen is the cathode reaction product.

電池
本発明に従い、ハイブリッド電極に基づくN還元電池を以下の段落で説明する。この電気分解電池は、1種以上のガスである反応物が、電解質中でのみ低い溶解度である場合に電気分解を最適に支持するように設計され、したがって、ハイブリッド電極の本体内の3相の境界(すなわち、電極材料とガス相と電解質との間の境界)の領域またはその近くの領域で反応を生じさせることが望ましい。
Battery In accordance with the present invention, a hybrid electrode based N 2 reduction battery is described in the following paragraphs. The electrolytic cell is designed to optimally support the electrolysis when the reactant, which is one or more gases, has low solubility only in the electrolyte, and thus, three phases in the body of the hybrid electrode It is desirable to cause the reaction to occur in or near the area of the boundary (ie, the boundary between the electrode material, the gas phase and the electrolyte).

本発明のハイブリッド電極は、好ましくは、多孔質導電性電極材料を含み、該電極は、任意選択的に、電極が電気化学的に高い活性の表面領域を有し、電極本体内でガスのアクセスと電解質のアクセスの両方を可能にする多数の孔を有するようにナノ構造触媒で装飾されている。   The hybrid electrode of the invention preferably comprises a porous conductive electrode material, said electrode optionally having a surface area of high electrochemical activity and a gas access in the electrode body They are decorated with nanostructured catalysts to have a large number of pores that allow for both and electrolyte access.

本発明では、ガスが隣接した1の表面に残り、ハイブリッド電極の孔が、少なくとも部分的にイオン導電性材料で満たされており、それ故に、反応物および生成物の移動が、NのNHへの還元が生じる領域にて起こる。 In the present invention, the gas remains on one adjacent surface, and the pores of the hybrid electrode are at least partially filled with the ion conducting material, so that the migration of reactants and products is the NH 2 N 2 It occurs in the area where reduction to 3 occurs.

これは、多孔質電極内でのガス拡散を支持するように設計されている先行技術の電極の厳しい制限の1つを回避し、この拡散プロセスは望ましくない過電圧と、動作中の電池の非効率性を生じさせる。   This avoids one of the severe limitations of prior art electrodes designed to support gas diffusion in porous electrodes, and this diffusion process leads to undesirable overpotentials and inefficiencies of the operating cell. Give rise to sex.

本実施形態では、カソード作用電極が、多孔質金属膜を作製し、イオン導電性材料、例えばNafion(商標)またはNafion(商標)ゲルまたはゲル状液体塩を多孔質構造体に含浸させることによって調製されるハイブリッドイオン導電性電極または「電極膜」である。カソードを電解触媒で装飾することで、電気分解が生じ得るガス/電解質/金属の3相の境界領域が生じる。   In this embodiment, the cathode working electrode is prepared by making a porous metal membrane and impregnating the porous structure with an ion conductive material such as NafionTM or NafionTM gel or gel-like liquid salt. Hybrid ion conducting electrodes or "electrode membranes". Decorating the cathode with an electrocatalyst creates a gas / electrolyte / metal three phase boundary region where electrolysis can occur.

反応性ガスが流動ガスから電解触媒へ直接導入される。反応物またはプロダクトイオンが、電極膜の電解質部分を通じて拡散し、ガス状生成物が流動ガス相へ直接通過する。   Reactive gases are introduced directly from the fluidizing gas into the electrocatalyst. Reactant or product ions diffuse through the electrolyte portion of the electrode membrane and gaseous products pass directly into the fluidizing gas phase.

図2に示すように、本実施形態に従う電池は、電解質層(13)によって隔たれた2つの多孔質電極(11,12)からなる。電極1は、窒素が還元されるカソード作用電極であり、電極(12)は、水の酸化または他の望ましい酸化が起こる対電極(アノード)である。各電極の後側に、ガスを電池内および外へ導くスペーサ層(14、15)がある。   As shown in FIG. 2, the battery according to this embodiment consists of two porous electrodes (11, 12) separated by an electrolyte layer (13). The electrode 1 is a cathode working electrode where nitrogen is reduced and the electrode (12) is a counter electrode (anode) where water oxidation or other desirable oxidation takes place. Behind each electrode is a spacer layer (14, 15) that directs the gas into and out of the cell.

電極は、それぞれシート上に積まれ、ガス層(14,15)に直接曝される電解触媒(16)を有する柔軟な、多孔質の導電性電極シート材料の層を含む。任意選択的に、触媒(16)は、電極(11)の構造体を通じて堆積され得、ガス、電解質、触媒および導電性電極が接触する多数の領域を形成し得る。導体シートの多孔性は、好ましくは、シートが一面から残りの面まで多孔質であるようなものである。   The electrodes comprise a layer of flexible, porous, conductive electrode sheet material with an electrocatalyst (16), each loaded on a sheet and exposed directly to the gas layer (14, 15). Optionally, the catalyst (16) may be deposited through the structure of the electrode (11) to form multiple areas where the gas, electrolyte, catalyst and conductive electrode are in contact. The porosity of the conductor sheet is preferably such that the sheet is porous from one side to the other.

多孔質導電性電極材料は、メッシュ、フォームまたはウールの形態のステンレス鋼、鉄、ニッケル、銅、ルテニウムまたはそれらの合金などのマクロ−またはマイクロ−またはナノ−多孔質金属であり得る。炭素布、炭素粒子/バインダー複合材、グラフェンおよび還元したグラフェン酸化物および導電性ポリマーを含む多孔質炭素材料も多孔質導電性電極材料として適している。   The porous conductive electrode material may be a macro- or micro- or nano-porous metal such as stainless steel in the form of mesh, foam or wool, iron, nickel, copper, ruthenium or alloys thereof. Porous carbon materials comprising carbon cloth, carbon particles / binder composites, graphene and reduced graphene oxide and conductive polymers are also suitable as porous conductive electrode materials.

外側の包装が電池を囲む。電池の一形態では、電池は圧延されているか、またはz折りされている。   Outer packaging surrounds the battery. In one form of battery, the battery is rolled or z-folded.

本発明のさらなる実施形態では、組立て品が、直列に積層された多くの電池によって形成される。この様式では、電池層(18)中の電解質が、互いから分離していなければならず、包装(17)が導電性材料であり、それ故に、直列接続が電池の間に生じる。また、積層電池は、折り畳まれいてもよく、圧延されていてもよい。   In a further embodiment of the invention, the assembly is formed by a number of cells stacked in series. In this manner, the electrolytes in the battery layers (18) must be separated from one another, the package (17) is a conductive material, and thus a series connection occurs between the batteries. In addition, the laminated battery may be folded or rolled.

電解質は、スペーサを含み得るか、または電解質膜、例えばポリマー電解質の形態であり得、該電解質膜としては、Nafion(商標)またはゲル状Nation(商標)またはゲル状液体塩電解質、またはバッテリー分野で周知である、紙またはCeleguard(商標)タイプの材料などの多孔質セパレータに浸漬した電解質が挙げられる。   The electrolyte may comprise a spacer or may be in the form of an electrolyte membrane, eg a polymer electrolyte, such as NafionTM or gel NationTM or gel liquid salt electrolyte, or in the battery field. Well known electrolytes impregnated in porous separators such as paper or CeleguardTM type materials.

組立て品の一形態では、層(11、13および12)が一緒にプレスされ、その後、電解質がインサイチュでゲル化されて、自己接着組立て品が製造される。   In one form of assembly, the layers (11, 13 and 12) are pressed together and then the electrolyte is gelled in situ to produce a self-adhesive assembly.

ガス流動層(14)は、窒素および水蒸気を含有する流動ガスの流れの導入を可能にする機能を有する。排出するガスは、任意選択的に電池の外で捕捉されるアンモニアを含有する。   The gas fluidized bed (14) has the function of enabling the introduction of a stream of flowing gas containing nitrogen and water vapor. The exhaust gas contains ammonia which is optionally trapped outside the cell.

ガス流動層(15)は、ガスの反応または電池の側面で生成される生成物の出入りを可能にするように設計され、任意選択的に空気または他のガスの流れが導入されて、このガスを希釈し、電池の外へ運ぶ。ガス流動層(14,15)は、高度に多孔質のセパレータまたはメッシュを用いて、または印刷によって、または層(17)の1面または両面にパターンを作製することによって作製される。   The gas fluidized bed (15) is designed to allow reaction of the gas or ingress and egress of products produced on the side of the cell, optionally with the introduction of a flow of air or other gas, to this gas Dilute and carry out of the battery. The gas fluidized bed (14, 15) is made using a highly porous separator or mesh, or by printing, or by creating a pattern on one or both sides of the layer (17).

積層電池の組立て品では、ガスが、組立て品の最も長い寸法の「端」から、または組立て品のいずれかの側からを含めたいずれの便利な位置に導入され得る。これらの配置のそれぞれが、層(17)の交互の密封配置を必要とする。   In a stacked battery assembly, gas may be introduced into any convenient location, including from the "end" of the longest dimension of the assembly, or from either side of the assembly. Each of these arrangements requires an alternating sealing arrangement of layers (17).

全組立て品が、1mmの厚さほど小さく、表面積を最大化し、必要とされる電解質材料の量を最小限にする。   The entire assembly is as small as 1 mm thick to maximize surface area and minimize the amount of electrolyte material needed.

実施例1 ナノ構造Fe触媒の調製
以下の実施例は、本発明での使用に適したナノ構造触媒の調製を示す。フッ素ドープした酸化スズ電極(5x5mm)を、電気化学電池に設け、カソードとして接続した。標準塩化第一水銀電極(SCE)は、参照電極として機能し、Tiメッシュは対電極として機能する。触媒製造用の電解質溶液は、水中に、10mM FeSOと、10mM NaOHと、10mmクエン酸を含む。
Example 1 Preparation of Nanostructured Fe Catalyst The following example illustrates the preparation of a nanostructured catalyst suitable for use in the present invention. A fluorine-doped tin oxide electrode (5 × 5 mm) was provided in the electrochemical cell and connected as a cathode. Standard mercuric chloride electrode (SCE) functions as a reference electrode, and Ti mesh functions as a counter electrode. The electrolyte solution for the catalyst preparation include water, and 10 mM FeSO 4, and 10 mM NaOH, the 10mm citric acid.

Feの電着を、フッ素ドープした酸化スズ電極の電位を−0.8〜−1.8V vs SCE、20mV/sで10周期の間循環させることによって実施した。電着Feナノ構造層は、フッ素ドープした酸化スズ上にナノ粒子を含む多孔質の黒色層として現れた。堆積した材料は、部分的に酸化した鉄(10%酸化物を有する)が均質に分布している主に金属のFeからなる。酸化鉄が堆積サイクルの陽極部分の間に生じる。酸化鉄の形成は、鉄ナノ粒径を制御できる。酸化鉄は、アンモニア生産のカソードとしての使用の初期段階の間に少なくとも一部還元される。Fe/酸化鉄複合体は、鉄の2つの酸化状態の相乗効果により触媒活性を増大させ得る。   Electrodeposition of Fe was carried out by cycling the potential of the fluorine-doped tin oxide electrode at -0.8 to -1.8 V vs SCE, 20 mV / s for 10 cycles. The electrodeposited Fe nanostructured layer appeared as a porous black layer containing nanoparticles on fluorine doped tin oxide. The deposited material consists mainly of metallic Fe, in which partially oxidized iron (with 10% oxide) is homogeneously distributed. Iron oxide forms during the anodic part of the deposition cycle. The formation of iron oxide can control iron nano particle size. Iron oxide is at least partially reduced during the initial stages of use as a cathode for ammonia production. The Fe / iron oxide complex can increase catalytic activity by the synergy of the two oxidation states of iron.

電気化学的な表面積は、ブチルメチルピロリジニウムeFAP液体塩中で、室温で5mV/sでのサイクリックボルタンメトリーによる0V vs Ptでの二重層の帯電電流を測定することによって決定される。2mF/cmの二重層の容量は、これらの条件の下で測定された。 The electrochemical surface area is determined by measuring the charging current of the bilayer at 0 V vs Pt by cyclic voltammetry at 5 mV / s at room temperature in butyl methyl pyrrolidinium eFAP liquid salt. The capacity of the 2 mF / cm 2 bilayer was measured under these conditions.

実施例2 n[P6,6,6,14][eFAP]でのNの還元
Fe電解触媒層を持つフッ素ドープした酸化スズ電極を電気化学電池にカソードとして設けた。電解質は、液体塩[P6,6,6,14][eFAP]を含んでいた。電解質は、使用前に1mm KOH水溶液で振盪することによって予備状態調節した。水溶液は、過剰溶液が分離漏斗にて別個の層として除去できるほど、液体塩でのみ難溶性であった。
Example 2 Reduction of N 2 with n [P 6,6,6,14 ] [eFAP] A fluorine-doped tin oxide electrode with an Fe electrocatalyst layer was provided as a cathode in an electrochemical cell. The electrolyte contained a liquid salt [P 6,6,6,14 ] [eFAP]. The electrolyte was preconditioned by shaking with 1 mm aqueous KOH prior to use. The aqueous solution was only sparingly soluble in liquid salt so that the excess solution could be removed as a separate layer in the separatory funnel.

予備状態調節は、微量のOHを塩に導入し得、電解質における定められたプロトン活性をもたらす。 Preconditioning can introduce trace amounts of OH - into the salt, resulting in defined proton activity in the electrolyte.

対電極(Pt)を、飽和液体塩も含有するフリット部分に設けた。参照電極はPtである。二窒素ガスを、Nバブルをカソード上へ向けるバブラーを用いて、10ml/minで電池に導入した。二窒素は、低い水の蒸気圧の溶液を通じてバブリングすることによって、水で予め飽和させた。 A counter electrode (Pt) was provided on the frit portion which also contained saturated liquid salt. The reference electrode is Pt. Dinitrogen gas was introduced into the cell at 10 ml / min using a bubbler to direct the N 2 bubble onto the cathode. The dinitrogen was presaturated with water by bubbling through the low water vapor pressure solution.

電池から流れ、未反応二窒素を含有する排出ガスおよび還元生成物を、1mM HSOを含有するさらなるトラップに導いて、NH として製造したアンモニアを捕捉した。電気分解の終了時に、この溶液をアンモニアについて分析した。 Flowing from the cell, the exhaust gas containing unreacted dinitrogen and the reduction product were led to a further trap containing 1 mM H 2 SO 4 to capture the ammonia produced as NH 4 + . At the end of the electrolysis, the solution was analyzed for ammonia.

電気分解を、2〜5時間、−1.0〜−2.0Vの電圧で実施した。電気分解の終了時に、電解質を1mm KOH溶液で3回洗浄して、いずれの保持されたアンモニアも抽出した。3回の洗浄液も、アンモニアについて分析した。結果をトラップ溶液分析からの結果と合わせた。ファラデー効率は73%(+/−5%)であった。   The electrolysis was carried out at a voltage of -1.0 to -2.0 V for 2 to 5 hours. At the end of the electrolysis, the electrolyte was washed three times with 1 mm KOH solution to extract any retained ammonia. Three washes were also analyzed for ammonia. The results were combined with the results from trap solution analysis. The Faraday efficiency was 73% (+/- 5%).

また、溶液をヒドラジンについても分析したが、ヒドラジンは検出されなかった(LOD=5μmol/L)。   The solution was also analyzed for hydrazine, but no hydrazine was detected (LOD = 5 μmol / L).

実施例3:[Cmpyr][eFAP]でのNの還元
電解質が液体塩[Cmpyr][eFAP]を含んでいたことを除いて、実施例2に記載された通りにN還元を実施した。このケースのファラデー効率は47%(+/−5%)であった。
Example 3: Except for the [C 4 mpyr] that reduction electrolyte N 2 in [eFAP] is that contained the liquid salt [C 4 mpyr] [eFAP] , N 2 as described in Example 2 The reduction was carried out. The Faraday efficiency in this case was 47% (+/- 5%).

実施例4:[P6,6,6,14][FSO]におけるNの還元
実施例2と同じ方法に従い、電解質は、液体塩[P6,6,6,14][FSO]を含んでいた。4uA cm−2の一定の電流を2時間印加した。アンモニア測定は、アンモニアについてのファラデー効率が51%であったことを示した。
Example 4: [P 6,6,6,14] Following the same procedure the reduction in Example 2 of N 2 at [F 9 C 4 SO 3] , electrolyte, liquid salt [P 6,6,6,14] It contained [F 9 C 4 SO 3 ]. A constant current of 4 uA cm -2 was applied for 2 hours. Ammonia measurements showed that the Faraday efficiency for ammonia was 51%.

実施例5:[P6,6,6,14][PFO]におけるNの還元
実施例2と同じ方法に従い、電解質は、液体塩[P6,6,6,14][PFO]を含んでいた。4uA cm−2の一定の電流を2時間印加した。アンモニア測定は、アンモニアについてのファラデー効率%が39%であったことを示す。
Example 5 Reduction of N 2 in [P 6,6,6,14 ] [PFO] According to the same method as in Example 2, the electrolyte comprises a liquid salt [P 6,6,6,14 ] [PFO] It was. A constant current of 4 uA cm -2 was applied for 2 hours. Ammonia measurements show that the Faraday efficiency% for ammonia was 39%.

実施例6:超音波による分解を用いたN還元
以下の実施例は、追加の物理的および/または化学的なプロセスを組み込むことで、アンモニア生産が増加したことを例示する。
Example 6: Example of N 2 reduced below using decomposition by ultrasound, by incorporating additional physical and / or chemical processes, illustrates that ammonia production is increased.

実施例2と同じ手順の後、電気化学電池全体を超音波破砕機の溶液槽に浸漬した。−1.2V vs NHEの定電位を作用電極に30min印加し、超音波による分解を電気化学電池に適用して、N還元を促進した。超音波による分解の存在下では、電流がその前値と比較して約125%増加した。 After the same procedure as in Example 2, the entire electrochemical cell was immersed in the solution bath of the ultrasonic crusher. -1.2 V vs 30min applied to the working electrode a constant potential of NHE, by applying a decomposition by ultrasound in an electrochemical cell, to promote N 2 reduction. In the presence of ultrasonic degradation, the current increased by about 125% compared to its previous value.

実施例7:分子性液体成分の存在下でのNの還元
前述のように、電解質は、2種以上の塩の組み合わせによって、望ましい特徴の液体塩を生じることができる。さらに、液体塩は、以下の実施例によって例示される水または他の分子性液体を含む追加の成分を含有し得る。
Example 7 Reduction of N 2 in the Presence of Molecular Liquid Components As mentioned above, the electrolyte can be combined with two or more salts to produce a liquid salt of the desired characteristics. In addition, the liquid salt may contain additional components including water or other molecular liquids exemplified by the following examples.

実施例3と同じ方法に従い、トリフルオロトルエン10%v/vをさらなる成分として電解質に添加して、液体塩の粘度を減少させ、電気化学反応の大量輸送を促進した。−1.2V vs NHEの定電位を30min印加した。電流が、トリフルオロトルエンの非存在下での値と比較して50%増加した。   Following the same procedure as in Example 3, trifluorotoluene 10% v / v was added as a further component to the electrolyte to reduce the viscosity of the liquid salt and to facilitate mass transport of the electrochemical reaction. A constant potential of -1.2 V vs NHE was applied for 30 minutes. The current was increased by 50% compared to the value in the absence of trifluorotoluene.

実施例8:[Cmpyr][ペルフルオロブタンスルホネート]
[Cmpyr][ペルフルオロブタンスルホネート]は、上昇した融点(112℃)を有し、この融点を超える温度でN還元に使用し得る。また、融点は、実施例7に記載されている分子性液体成分の添加によって低下し得る。
Example 8: [C 4 mpyr] [perfluorobutane sulfonate]
[C 4 mpyr] [perfluorobutane sulfonate] has an elevated melting point (112 ° C.) and may be used for N 2 reduction at temperatures above this melting point. The melting point can also be lowered by the addition of the molecular liquid component described in Example 7.

実施例9:[Cmpyr][PFO]
[Cmpyr][PFO]は、上昇した融点(87℃)を有し、この融点を超える温度でN還元に使用し得る。また、融点は、実施例7に記載されている分子性液体成分の添加によって低下し得る。
Example 9: [C 4 mpyr] [PFO]
[C 4 mpyr] [PFO] has an elevated melting point (87 ° C.) and may be used for N 2 reduction at temperatures above this melting point. The melting point can also be lowered by the addition of the molecular liquid component described in Example 7.

実施例10:液体塩を含有するゲル膜を含む電解質の調製および使用
上記のように、本発明で使用される電解質は、Nafion(商標)またはゲル状液体塩電解質などの、それ自体電解質、例えばポリマー電解質であるスペーサまたは電解質膜を含み得るか、または紙またはCeleguard(商標)などの多孔質セパレータに浸漬した電解質である。PVDF−HFPコポリマーゲル電解質膜の調製の例示である以下の実施例10に記載の手順が、液体塩を含有するいずれのゲル膜の調製により一般的に使用され得る。
Example 10 Preparation and Use of an Electrolyte Comprising a Gel Membrane Containing a Liquid Salt As noted above, the electrolyte used in the present invention may be an electrolyte itself, such as NafionTM or a gelled liquid salt electrolyte, for example It may include a spacer or electrolyte membrane that is a polymer electrolyte, or an electrolyte immersed in a porous separator such as paper or CeleguardTM. The procedure described in Example 10 below, which is an example of preparation of a PVDF-HFP copolymer gel electrolyte membrane, can be used generally for the preparation of any gel membrane containing a liquid salt.

PVDF−HFPコポリマーゲル電解質膜を、実施例3に記載されているような液体塩を用いて、以下の通りに調製した。液体塩とコポリマーを9:1の質量比率でジメチルホルムアミドに溶解し、少し加熱した。溶液をSolupour(商標)膜の34mm直径円上へ広げ、放置して乾燥した。乾燥後、膜の外側の過剰なゲルを除去した。   A PVDF-HFP copolymer gel electrolyte membrane was prepared as follows using a liquid salt as described in Example 3. The liquid salt and copolymer were dissolved in dimethylformamide in a weight ratio of 9: 1 and heated slightly. The solution was spread onto a 34 mm diameter circle of SolupourTM membrane and left to dry. After drying, excess gel on the outside of the membrane was removed.

ガスフローセルは、カーボン紙/白金めっき炭素アノード、膜およびFe電着ステンレス鋼メッシュ(400メッシュ)カソードで構成された。180mL/minの速度で、水素ガスをガスフローセルのアノード側に導入し、窒素ガスをカソード側に通過させた。電池内側のガスの圧力は1気圧であった。アノードに対して−1.2Vの定電位をカソードに30分間印加した。   The gas flow cell consisted of carbon paper / platinum plated carbon anode, membrane and Fe electrodeposited stainless steel mesh (400 mesh) cathode. Hydrogen gas was introduced to the anode side of the gas flow cell at a rate of 180 mL / min and nitrogen gas was passed to the cathode side. The pressure of the gas inside the battery was 1 atm. A constant potential of -1.2 V with respect to the anode was applied to the cathode for 30 minutes.

電池を通して流れるガスを混合し、40mLの1mM HSO溶液に続いて20mLの1mM HSO溶液を通じて泡立てた。電圧を印加している期間とそれが終了した後の30分間、ガスを泡立てた。 The gases flowing through the cell were mixed and bubbled through 40 mL of 1 mM H 2 SO 4 solution followed by 20 mL of 1 mM H 2 SO 4 solution. The gas was bubbled for a period of time during which the voltage was applied and for 30 minutes after it ended.

電圧印加の30分にわたって製造したアンモニアは、87.0nmoleであり、ファラデー効率は24.9%であった。   Ammonia produced over 30 minutes of voltage application was 87.0 nmole, and the Faraday efficiency was 24.9%.

実施例11:独立の膜としての使用に適した[Cmpyr][eFAP]液体塩を有するゲル膜の調製および使用
液体塩とポリマーとの質量比率が7:3であり、溶液を流し込んで独立の膜を形成したこと以外は実施例10と同様にして膜を調製した。30分の電圧印加にわたって製造されたアンモニアは59.5nmoleであり、ファラデー効率は71.5%であった。
Example 11 Preparation and Use of a Gel Membrane Having a [C 4 mpyr] [eFAP] Liquid Salt Suitable for Use as an Independent Membrane The mass ratio of liquid salt to polymer is 7: 3 and the solution is poured A membrane was prepared in the same manner as Example 10 except that an independent membrane was formed. Ammonia produced over a 30 minute voltage application was 59.5 nmole and the Faraday efficiency was 71.5%.

実施例12:[Cmpyr][eFAP]液体塩を有するNafion(商標)ゲル膜の調製および使用
電解質がNafion(商標)−ゲル膜を含み、以下の実施例に記載されているように調製された以外は実施例10に記載されているようにして、電池を構成した。
Example 12 Preparation and Use of NafionTM Gel Membrane with [C 4 mpyr] [eFAP] Liquid Salt The electrolyte comprises a NafionTM-gel membrane, prepared as described in the following example A battery was constructed as described in Example 10, except as described.

Nafion(商標)と[Cmpyr][eFAP]を1:9の質量比率で含有する溶液を、Aldrich社によって供給されているように、低級脂肪族アルコールおよび水にて9部の[Cmpyr][eFAP]と20部のNafionの5w/w%溶液とを混合することによって調製した。これを直径34mmのSolupour(商標)膜上へ落として、膜を溶液で完全に被覆した。その後、60℃のオーブン内で一晩乾燥した。カソードとアノードとの間に、このNafion(商標)−ゲル膜を用いてガスフローセルを構成した。製造したアンモニアが93.1nmoleファラデー効率は30.6%であった。 A solution containing NafionTM and [C 4 mpyr] [eFAP] in a 1: 9 mass ratio is supplied by Aldrich with 9 parts of [C 4 in a lower aliphatic alcohol and water as supplied by Aldrich. Prepared by mixing mpyr] [eFAP] with 20 parts of a 5% w / w solution of Nafion. This was dropped onto a 34 mm diameter SolupourTM membrane and the membrane was completely coated with the solution. Thereafter, it was dried overnight in a 60 ° C. oven. The NafionTM-gel membrane was used to construct a gas flow cell between the cathode and the anode. The produced ammonia had a 93.1 nmole Faraday efficiency of 30.6%.

実施例13:液体塩を有するNafion(商標)膜を含む独立の電解質膜の調製および使用
膜がNafion(商標)−ゲル膜であったこと以外は実施例11に記載されているように、電池を構成した。膜を以下の通りに調製した。Nafion(商標)および液体塩の3:7の質量比率の混合物を実施例12に記載されているように調製し、ドロップキャストした。その後、60℃のオーブン内で一晩乾燥した。
Example 13 Preparation and Use of a Separate Electrolyte Membrane Comprising a NafionTM Membrane with a Liquid Salt The cell as described in Example 11 except that the membrane was a NafionTM-gel membrane Configured. Membranes were prepared as follows. A 3: 7 mixture of NafionTM and liquid salt was prepared and drop cast as described in Example 12. Thereafter, it was dried overnight in a 60 ° C. oven.

上記の電池のさらなるバリエーションが、電解質膜のための支持体としてSolupour(商標)を除くか、または他の支持体を用いることによってなどで構成できることは当業者に明らかである。   It will be apparent to those skilled in the art that further variations of the above-described cells can be constructed such as by removing SolupourTM as a support for the electrolyte membrane, or by using other supports.

実施例14:[P6,6,6,14][PFB]でのN還元
実施例3と同じ方法に従い、[P6,6,6,14][PFB]を液体塩電解質として使用した。0.8V vs NHEの定電位を3時間印加した。このシステムでのアンモニア生成についてのファラデー効率は18%であった。
Example 14: [P 6,6,6,14] Following the same procedure N 2 reduction Example 3 in [PFB], was used [P 6,6,6,14] [PFB] Liquid salt electrolyte . A constant potential of 0.8 V vs NHE was applied for 3 hours. The Faraday efficiency for ammonia formation in this system was 18%.

実施例15:Ru触媒でのN還元
実施例3と同じ手順に従い、ルテニウムフィルムを作用電極上へ堆積した。−0.8V vs NHEの定電位を作用電極に30min間印加した。電流密度は実施例3のものの約2倍であった。アンモニア測定は、inこのシステムでのアンモニア生成についてのファラデー効率が28%であったことを示す。
Example 15: Following the same procedure as N 2 reduction Example 3 in Ru catalyst was deposited ruthenium film onto the working electrode. A constant potential of -0.8 V vs NHE was applied to the working electrode for 30 minutes. The current density was about twice that of Example 3. Ammonia measurements show that the Faraday efficiency for ammonia formation in this system was 28%.

他の電極基板の使用
平坦なフッ素ドープした酸化スズガラス基板で得られるN還元電流が実用上小さすぎることから、ニッケルフォーム、ステンレス鋼メッシュなどの様々な高い表面積および多孔質の基板を使用して、作用する電気化学的な表面積を増加させた。多孔質基板の使用について電流密度が増加し、例えば、電流が、フッ素ドープした酸化スズでの0.012A.m−2からステンレス鋼メッシュでの0.1A.m−2、ニッケルフォームでの0.25A.m−2まで増加し、対応するファラデー効率はそれぞれ59%および45%である。電流増加により、生産率がフッ素ドープした酸化スズ基板での2.9mg.m−2−1からステンレス鋼基板での14mg.m−2−1まで大きく増加する。ここで使用されるステンレス鋼カソードが非常に薄く、柔軟であり、それ故にカソード厚さを最適化することによってさらに収量を増加させ、高い表面積の、薄層または渦巻型タイプの電池構築物を実施するかなりの範囲があることに注意することが重要である。
Use of Other Electrode Substrates Because the N 2 reduction current obtained with planar fluorine-doped tin oxide glass substrates is too small to be practical, using various high surface area and porous substrates such as nickel foam, stainless steel mesh, etc. And acted, increased the surface area of the electrochemical. The current density is increased for the use of porous substrates, for example, when the current is less than 0.012 A.D. with fluorine-doped tin oxide. m- 2 to 0.1 A. with stainless steel mesh. m -2 , 0.25A with nickel foam. It increases to m- 2 and the corresponding Faraday efficiencies are 59% and 45% respectively. Due to the increase of the current, the production rate is 2.9 mg. 14 mg. on a stainless steel substrate from m -2 h -1 . It greatly increases to m −2 h −1 . The stainless steel cathode used here is very thin and flexible, thus further increasing the yield by optimizing the cathode thickness and implementing a high surface area, thin layer or spiral type cell construction It is important to note that there is a considerable range.

[P6,6,6,14][eFAP]と比較して、[Cmpyr][eFAP]液体塩は、より高い電流を生じる。これは、おそらくより低い粘度のためであり、反応中により良好な質量拡散を促進する。[Cmpyr][eFAP]中のステンレス鋼電極でのN還元についてのファラデー効率が少しだけ低く、このイオン性液体のN溶解度0.20mg/gが0.28mg/gの[P6,6,6,14][eFAP]より低いのと同じくらい起こり得る。それにもかかわらず、収量が[Cmpyr][eFAP]においてより高い。
[00100]
選択されるイオン性液体でのNの溶解度が高い理由を、DFT計算によってさらに調べた。種々の共通のアニオンとNとの相互作用は、Clなどのイオン、BF およびPF などのフッ素化したアニオンとでは比較的弱い。他方で、[eFAP]との相互作用は際だって強い。
[00101]
理論に縛られるものではないが、2つのモードが計算にて区別され得、第1のものは、アルキル鎖に結合したF原子とのNの相互作用を明らかに示し、一方で、第2のものは、リンに結合したF原子とのNの相互作用を有し、後者がより強い相互作用である。これらの計算すべてから、より強く非局在化した電荷が隣接した基上にあり、N結合の相互作用がより強いことが見える。このeFAP錯体の結合エネルギーとPF のものとの差異が著しく、eFAPの場合、3個のC基上への電荷の追加の非局在化が、P結合フッ素上の電荷を調節し、それによって、Nとの相互作用を促進する。カチオンとこれらの計算に導入すると、アニオンとカチオンとの間のさらなる電荷相互作用のために、相互作用がより強くなることが示される。
The [C 4 mpyr] [eFAP] liquid salt produces a higher current, as compared to [P 6,6,6,14 ] [eFAP]. This is probably due to the lower viscosity and promotes better mass diffusion during the reaction. The Faraday efficiency for N 2 reduction at the stainless steel electrode in [C 4 mpyr] [eFAP] is only slightly lower, and the N 2 solubility of this ionic liquid is 0.28 mg / g 0.28 mg / g [P 6 , 6, 6, 14 ] [eFAP] as much as possible. Nevertheless, the yield is higher at [C 4 mpyr] [eFAP].
[00100]
The reason for the high solubility of N 2 in selected ionic liquids was further investigated by DFT calculations. The interaction of various common anions with N 2 is relatively weak with ions such as Cl and fluorinated anions such as BF 4 and PF 6 . On the other hand, the interaction with [eFAP] is exceptionally strong.
[00101]
Without being bound by theory, two modes can be distinguished in the calculation, the first clearly indicating the interaction of N 2 with the F atom bound to the alkyl chain, while the second Have an interaction of N 2 with the phosphorus-bonded F atom, the latter being a stronger interaction. From all these calculations it can be seen that the stronger delocalized charge is on the adjacent group and the interaction of the N 2 bond is stronger. The EFAP complex of the binding energy and PF 6 - as the difference is remarkable in the case of EFAP, additional delocalization of the charge onto three C 2 F 5 groups, the charge on P binding fluorine adjusted, thereby facilitating the interaction with the N 2. Introduced in the cation and these calculations it is shown that the interaction becomes stronger due to the additional charge interaction between the anion and the cation.

比較例
先行技術は、液体塩を含む電解質の使用の一般的開示を含むが、これらの電解質の多くが不適切であるか、かつ/または本発明の方法に従う二窒素の還元でのファラデー効率が支持できないほど低い。
Comparative Examples The prior art contains a general disclosure of the use of electrolytes containing liquid salts, but many of these electrolytes are inadequate and / or the Faraday efficiency in the reduction of dinitrogen according to the method of the invention is Unfavorably low.

これは、例えば米国特許出願公開第2016/0138176号明細書(Yooら)を参照して例示することができる。米国特許出願公開第2016/0138176号明細書には、特定のアルカリ金属(塩)またはイオン性液体の水性、または液体電解質を含有する電気分解電池を用いてアンモニアを合成する方法が記載されている。特に、比較例16および17は、米国特許出願公開第2016/0138176号明細書に開示されている塩に関するが、本発明の方法では、比較例16の塩は、支持できないほど低いファラデー効率をもたらす一方で、比較例17の塩は不安定になる。   This can be illustrated, for example, with reference to US Patent Application Publication No. 2016/0138176 (Yoo et al.). US Patent Application Publication No. 2016/0138176 describes a method of synthesizing ammonia using an electrolytic cell containing an aqueous or liquid electrolyte of a specific alkali metal (salt) or ionic liquid . In particular, Comparative Examples 16 and 17 relate to the salts disclosed in US Patent Application Publication No. 2016/0138176, but in the method of the present invention, the salt of Comparative Example 16 results in an unfavorably low Faraday efficiency. On the other hand, the salt of Comparative Example 17 becomes unstable.

比較例18は、本発明の方法に使用した場合、特定のイオン性塩が不安定になり、そのため不適切であることをより一般に例示する。   Comparative Example 18 more generally illustrates that certain ionic salts become unstable and therefore unsuitable when used in the methods of the present invention.

比較例16:[HMIM][NTf]でのNの還元
液体塩が電解質[HMIM][NTf]を含み、作用電極が実施例1の触媒を使用したこと以外は、実施例2に記載されている通りにN還元を実施した。イオン性液体は、融点が<100℃である塩として広く考えられていることから、[HMIM][NTf]は、イオン性液体とみなし得る。この塩の融点が約70℃であることから、還元を70℃、液体状態で実施した。
Comparative Example 16: [HMIM] include [NTf 2] reducing liquid salt of N 2 in the electrolyte [HMIM] [NTf 2], except that the working electrode using a catalyst of Example 1, Example 2 N 2 reduction was performed as described. [HMIM] [NTf 2 ] can be considered as an ionic liquid, as it is widely considered as a salt with a melting point <100 ° C. The reduction was carried out in the liquid state at 70 ° C., since the melting point of this salt is about 70 ° C.

このケースのファラデー効率は0.64%に過ぎなかった。   The Faraday efficiency in this case was only 0.64%.

比較例17:[EMIM][B(CN)]でのNの還元
電解質が液体塩[EMIM][B(CN)]を含み、作用電極が実施例1の触媒を使用したこと以外は、実施例2に記載された通りにN還元を実施した。
Comparative Example 17 Reduction of N 2 with [EMIM] [B (CN) 4 ] Electrolyte contains liquid salt [EMIM] [B (CN) 4 ], except that the working electrode uses the catalyst of Example 1 Carried out the N 2 reduction as described in Example 2.

このケースの見かけのファラデー効率は14%に過ぎなかった。しかしながら、N供給の代わりにアルゴンガス供給を使用した場合に同じ見かけのファラデー効率を測定した。後者の場合、アンモニアが供給されたNから製造されないため、アンモニアが液体塩を含む電解質の分解によって形成されたものであり、そのようなシアノ基を含有する液体塩を電解質として使用した場合、該液体塩は、これらの条件下での還元に対して安定していないことを示す。 The apparent Faraday efficiency in this case was only 14%. However, the same apparent Faraday efficiency was measured when argon gas feed was used instead of N 2 feed. In the latter case, ammonia is formed by decomposition of the electrolyte containing the liquid salt, since ammonia is not produced from N 2 supplied, and such a liquid group containing a cyano group is used as the electrolyte, The liquid salt shows to be not stable to reduction under these conditions.

比較例18:[EMIM][eFAP]でのNの還元
電解質が液体塩[EMIM][eFAP]を含み、作用電極が実施例1の触媒を使用したこと以外は、実施例2に記載された通りにN還元を実施した。
Comparative Example 18: Reduction of N 2 with [EMIM] [eFAP] The procedure described in Example 2 except that the electrolyte comprises the liquid salt [EMIM] [eFAP] and the working electrode used the catalyst of Example 1. N 2 reduction was performed as usual.

アンモニア生成の測定値は、アルゴンを飽和させた電解質とNを飽和させた電解質は両方とも、アンモニア(または検出可能なアミン)を生成し、ファラデー効率の%がそれぞれ35%および16%であることを示す。これは、電気分解中にイオン性液体が分解してアミン生成物およびアンモニアを生成することを示す。したがって、この液体塩はアンモニアへの窒素還元に適さない。 Ammonia production measurements show that both argon-saturated and N 2 -saturated electrolytes produce ammonia (or detectable amines) with a% Faraday efficiency of 35% and 16%, respectively. Indicates that. This indicates that the ionic liquid decomposes during electrolysis to form an amine product and ammonia. Thus, this liquid salt is not suitable for nitrogen reduction to ammonia.

本発明を、それらの特定の実施形態とともに説明したが、当然ながら更なる改変が可能である。本願は、本発明の本質に概して従い、本発明が関する分野内で既知または慣用の実務内にあり、上記の必須の特徴に適用され得る本開示からのそのような発展を含む、本発明のいずれのバリエーション、使用または改変も含めるものである。   While the invention has been described in conjunction with specific embodiments thereof, it will be appreciated that further modifications are possible. The present application generally follows the essence of the present invention, is within the practice known or routine within the field to which the present invention pertains, and includes such developments from the present disclosure which may be applied to the essential features described above. It is intended to include any variations, uses or modifications.

本発明は、本発明の本質的な特徴の精神から逸脱することなくいくつかの形態で具体化され得ることから、上記の実施形態は、特段の定めのない限り、本発明を限定するものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲で定められる発明の精神および範囲内で広く解釈されるべきである。記載された実施形態は、あらゆる点で、例示に過ぎず、限定的ではないものとみなされるべきである。   Because the invention can be embodied in several forms without departing from the spirit of the essential features of the invention, the above embodiments are not intended to limit the invention unless otherwise specified. Rather, it should be interpreted broadly within the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive.

様々な改変および均等な配置が、本発明および添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれるものとする。したがって、特定の実施形態は、本発明の本質が実施され得る多くの方法の例示であると理解されるべきである。以下の特許請求の範囲では、ミーンズ・プラス・ファンクション・クローズは、定義された機能を果たす構造、および構造的に同等のもののみならず、均等な構造も含むものとする。   Various modifications and equivalent arrangements are intended to be included within the spirit and scope of the present invention and the appended claims. Accordingly, the specific embodiments are to be understood as illustrative of the many ways in which the principles of the present invention may be practiced. In the following claims, means-plus-function close is intended to cover not only structures that perform the defined function and structural equivalents, but also equivalent structures.

「含む(Comprises/comprising」および「含む(includes/including)」は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、整数、ステップまたは成分の存在を特定するものであるが、1以上の他の特徴、整数、ステップ、成分またはそれらの群の存在または追加を除外するものではない。したがって、文脈上明白に他の意味に解釈すべき場合を除いて、明細書および特許請求の範囲を通じて、「含む(’comprising’、’includes’、’including’)」などは、排他的または網羅的な意味に対立するものとして、包括的な意味、すなわち、「含むが、限定されない(including,but not limited to)」で解釈されるべきである。   "Comprises / comprising" and "includes / including" as used herein identify the presence of the stated feature, integer, step or component, but one or more It is not intended to exclude the presence or addition of other features, integers, steps, components or groups thereof, and thus unless the context clearly dictates otherwise, throughout the specification and claims. ',' Including ',' includes ',' including 'etc., as opposed to exclusive or exhaustive meaning, have an inclusive meaning, ie,' including, but not limited to not limited to) should be interpreted.

Claims (51)

(1)ナノ構造触媒を含むカソード作用電極および対電極を1種以上の液体塩を含む電解質と接触させるステップと、
(2)二窒素および水素の源を電解質に導入するステップと、を含み、
前記液体塩が、
(i)PR1−4、NR1−4、CNR(式中、R基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に、部分的にまたは完全にハロゲン化されており、任意選択的にヘテロ原子を含み、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)
からなる群より選択されるカチオンと、
(ii)(RO)PF6−x、(RO)BF4−x、R’SONSOR’、R’SOC(SOR’)(SOR’)、FSONSOF、CBF、CPF4、RCBF、RCPF4、CFSO、R’SO、R’CO、CFCOO、R’PF6−x、R’BF4−x(式中、R’基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に、部分的にまたは完全にフッ素化されており、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR’基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるアニオンとの組み合わせによって形成され、
二窒素が、カソード作用電極でアンモニアに還元されることを特徴とするアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元方法。
(1) contacting a cathode working electrode and a counter electrode comprising a nanostructured catalyst with an electrolyte comprising one or more liquid salts;
(2) introducing a source of dinitrogen and hydrogen into the electrolyte;
The liquid salt is
(I) PR 1-4 , NR 1-4 , C 4 H 8 NR 2 wherein the R groups are each independently linear, branched or cyclic, and preferably contain 1 to 18 carbon atoms , Optionally partially or completely halogenated, optionally containing heteroatoms, optionally, preferably, ethers, alcohols, carbonyls, thiols, sulfoxides, sulfonates, amines, azos or It contains a functional group selected from nitriles, and two R groups may combine to form a single ring or a heterocyclic ring)
A cation selected from the group consisting of
(Ii) (RO) x PF 6-x, (RO) x BF 4-x, R'SO 2 NSO 2 R ', R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R '), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3 , R'SO 3 , R'CO 2 , CF 3 COO , R ′ x PF 6-x , R ′ x BF 4-x (wherein each R ′ group is independently linear, branched or cyclic, preferably contains 1 to 18 carbon atoms, and is optional Optionally, partially or completely fluorinated, optionally comprising a functional group preferably selected from ether, alcohol, carbonyl, thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile, 2 R 'groups combine to form a single or heterocyclic ring Formed by a combination of anion selected from the group consisting of may also.) Which was,
A method of electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia, characterized in that dinitrogen is reduced to ammonia at the cathode working electrode.
前記液体塩が、
(i)Cmpyr、P6,6,6,14、P(Cfn(式中、Rはペルフルオロアルキル部分)からなる群より選択されるカチオンと、
(ii)eFAP、NfO、PFO、FSI、NTf、B(otfe)およびCFCOOからなる群より選択されるアニオンとの組み合わせによって形成される請求項1に記載の方法。
The liquid salt is
(I) a cation selected from the group consisting of C 4 mpyr, P 6, 6, 6, 14, P (C 2 R fn ) 4 (wherein R f is a perfluoroalkyl moiety),
(Ii) eFAP, NfO, PFO , FSI, NTf 2, B (otfe) 4 and CF 3 The method of claim 1 formed by the combination of the anion selected from the group consisting of COO.
前記液体塩が[P6,6,6,14][eFAP]である請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the liquid salt is [P 6,6,6,14 ] [eFAP]. 前記液体塩が[Cmpyr][eFAP]である請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [eFAP]. 前記液体塩が[P6,6,6,14][FSO]である請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the liquid salt is [P 6, 6, 6, 14 ] [F 9 C 4 SO 3 ]. 前記液体塩が[P6,6,6,14][PFO]である請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the liquid salt is [P 6,6,6,14 ] [PFO]. 前記液体塩が[Cmpyr][ペルフルオロブタンスルホネート]である請求項1に記載の方法。 The method of claim 1 wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [perfluorobutane sulfonate. 前記液体塩が[Cmpyr][PFO]である請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [PFO]. 前記電解質の温度を−35℃〜200℃、好ましくは0℃〜150℃、より好ましくは15℃〜130℃の間に上昇させるステップをさらに含む請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising the step of raising the temperature of the electrolyte to between -35 ° C and 200 ° C, preferably between 0 ° C and 150 ° C, more preferably between 15 ° C and 130 ° C. 0.7bar窒素〜100bar窒素、好ましくは1bar〜30bar、最も好ましくは1bar〜12barの圧力を電解質にかけるステップをさらに含む請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising the step of applying a pressure of 0.7 bar nitrogen to 100 bar nitrogen, preferably 1 bar to 30 bar, most preferably 1 bar to 12 bar to the electrolyte. 前記圧力がパルス状である請求項10に記載の方法。   11. The method of claim 10, wherein the pressure is pulsed. 前記カソード作用電極と前記対電極との間を通過する電流が断続的である請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the current passing between the cathode working electrode and the counter electrode is intermittent. 超音波周波数のエネルギーを前記電解質に印加するステップをさらに含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising the step of applying ultrasonic frequency energy to the electrolyte. 二窒素ガスを加湿し、加湿した二窒素ガスを前記カソード作用電極上へ流すステップをさらに含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising the steps of humidifying dinitrogen gas and flowing humidified dinitrogen gas onto the cathode working electrode. 前記電解質が膜をさらに含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the electrolyte further comprises a membrane. 前記膜が、ポリマー電解質、ゲル状イオン性液体電解質または多孔質セパレータから選択される請求項15に記載の方法。   The method according to claim 15, wherein the membrane is selected from a polymer electrolyte, a gelled ionic liquid electrolyte or a porous separator. 二窒素の還元のためのナノ構造触媒を含むカソード作用電極と、
対電極と、
作用電極と接触した1種以上の液体塩を含む電解質と、を含み、
前記液体塩は、
(i)PR1−4、NR1−4、CNR(式中、R基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にハロゲン化されており、任意選択的にヘテロ原子を含み、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるカチオンと、
(ii)(RO)PF6−x、(RO)BF4−x、R’SONSOR’、R’SOC(SOR’)(SOR’)、FSONSOF、CBF、CPF4、RCBF、RCPF4、CFSO、R’SO、R’CO、CFCOO、R’PF6−x(FAP)、R’BF4−x(式中、R’基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にフッ素化されており、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR’基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるアニオンとの組み合わせから形成されることを特徴とするアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元用電池。
A cathode working electrode comprising a nanostructured catalyst for the reduction of dinitrogen;
A counter electrode,
An electrolyte comprising one or more liquid salts in contact with the working electrode,
The liquid salt is
(I) PR 1-4 , NR 1-4 , C 4 H 8 NR 2 wherein the R groups are each independently linear, branched or cyclic, and preferably contain 1 to 18 carbon atoms , Optionally partially or completely halogenated, optionally containing heteroatoms, optionally, preferably, ethers, alcohols, carbonyls, thiols, sulfoxides, sulfonates, amines, azos or nitriles A cation selected from the group consisting of a functional group selected from: and two R groups may be combined to form a single ring or a heterocyclic ring);
(Ii) (RO) x PF 6-x, (RO) x BF 4-x, R'SO 2 NSO 2 R ', R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R '), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4, RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4, CF 3 SO 3 , R'SO 3 , R'CO 2 , CF 3 COO R ′ x PF 6-x (FAP), R ′ x BF 4-x (wherein the R ′ groups are each independently linear, branched or cyclic, preferably 1 to 18 carbon atoms Containing, optionally partially or completely fluorinated, optionally containing a functional group preferably selected from ether, alcohol, carbonyl, thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile And two R ′ groups are combined to form a single ring or multiple rings. Dinitrogen electrochemical reduction battery of the ammonia being formed from a combination of anion selected from the group consisting of may form a ring.).
前記液体塩が、
(i)Cmpyr、P6,6,6,14、P(Cfn(式中、Rはペルフルオロアルキル部分)からなる群より選択されるカチオンと、
(ii)eFAP、NfO、PFO、FSI、NTf、B(otfe)およびCFCOOからなる群より選択されるアニオンとの組み合わせによって形成される請求項17に記載の電池。
The liquid salt is
(I) a cation selected from the group consisting of C 4 mpyr, P 6,6,6,14 and P (C 2 R fn ) 4 (wherein R is a perfluoroalkyl moiety),
(Ii) eFAP, NfO, PFO , FSI, NTf 2, B cell according to claim 17 formed by the combination of the anion selected from the group consisting of (OTFE) 4 and CF 3 COO.
前記液体塩が[P6,6,6,14][eFAP]である請求項17に記載の電池。 The battery according to claim 17, wherein the liquid salt is [P 6,6,6,14 ] [eFAP]. 前記液体塩が[Cmpyr][eFAP]である請求項17に記載の電池。 The battery according to claim 17, wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [eFAP]. 前記液体塩が[P6,6,6,14][FSO]である請求項17に記載の電池。 The battery according to claim 17, wherein the liquid salt is [P 6, 6, 6, 14 ] [F 9 C 4 SO 3 ]. 前記液体塩が[P6,6,6,14][PFO]である請求項17に記載の電池。 The battery according to claim 17, wherein the liquid salt is [P 6, 6, 6, 14 ] [PFO]. 前記液体塩が[Cmpyr][ペルフルオロブタンスルホネート]である請求項17に記載の電池。 The battery according to claim 17, wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [perfluorobutane sulfonate]. 前記液体塩が[Cmpyr][PFO]である請求項17に記載の電池。 The battery according to claim 17, wherein the liquid salt is [C 4 mpyr] [PFO]. 請求項17または請求項18に記載の電池の2個以上を直列に積層することによって形成される電池組立て品。   A battery assembly formed by stacking two or more of the batteries according to claim 17 or 18 in series. 前記電解質の温度を−35℃〜200℃、好ましくは0℃〜150℃、より好ましくは15℃〜130℃に維持する加熱手段を含む請求項17に記載の電池。   The battery according to claim 17, further comprising heating means for maintaining the temperature of the electrolyte at -35 ° C to 200 ° C, preferably 0 ° C to 150 ° C, more preferably 15 ° C to 130 ° C. 前記電解質に0.7bar窒素〜100bar窒素、好ましくは1bar〜30bar、最も好ましくは1bar〜12barの圧力をかける加圧手段を含む請求項17に記載の電池。   18. A battery according to claim 17, comprising pressing means for applying a pressure of 0.7 bar nitrogen to 100 bar nitrogen, preferably 1 bar to 30 bar, most preferably 1 bar to 12 bar to the electrolyte. 前記カソード作用電極と前記対電極との間に断続的な電流を流すように構成される請求項17に記載の電池。   18. The battery of claim 17, wherein the battery is configured to pass an intermittent current between the cathode working electrode and the counter electrode. 二窒素ガスを加湿する加湿器をさらに含み、加湿した二窒素ガスの流れをカソード作用電極上へ流すように構成される請求項17に記載の電池。   The battery of claim 17 further comprising a humidifier for humidifying dinitrogen gas, configured to flow a stream of humidified dinitrogen gas onto the cathode working electrode. 前記電解質が膜を含む請求項17に記載の電池。   18. The battery of claim 17, wherein the electrolyte comprises a membrane. 膜が、ポリマー電解質、ゲル状イオン性液体電解質または多孔質セパレータから選択される請求項17に記載の電池。   The battery according to claim 17, wherein the membrane is selected from a polymer electrolyte, a gelled ionic liquid electrolyte or a porous separator. 前記電解質に超音波周波数のエネルギーを印加する超音波源を含む請求項17に記載の電池。   The battery of claim 17 including an ultrasound source that applies ultrasonic frequency energy to the electrolyte. アンモニアへの二窒素の還元が、前記カソード作用電極の作用面上の3相の境界に隣接した領域で起こる請求項17に記載の電池。   18. The cell of claim 17, wherein the reduction of dinitrogen to ammonia occurs in a region adjacent to the three phase boundary on the working surface of the cathode working electrode. ナノ構造電解触媒が前記カソード作用電極の外側の表面に隣接し、電気分解が主に起こるガス/電解質/金属3相の境界領域を生じる請求項17に記載の電池。   The cell of claim 17 wherein a nanostructured electrocatalyst is adjacent to the outer surface of the cathode working electrode resulting in a gas / electrolyte / metal three phase boundary region where electrolysis mainly occurs. ナノ粒子を含み、隣接した電解質層にて測定された、0.1mF/cm超、好ましくは1mF/cm超の二重層容量で示される高い電気化学作用表面領域を有することを特徴とするアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元用ナノ構造触媒。 Comprises nanoparticles were measured in the adjacent electrolyte layer, 0.1 mF / cm 2, preferably above characterized in that it has a high electrochemical active surface area indicated by the double layer capacitance of 1 mF / cm 2 than Nanostructured catalyst for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia. 遷移金属、またはランタニド金属から選択され、それらの無機化合物を含む1種以上の金属のナノ粒子を含む請求項35に記載のナノ構造触媒。   36. The nanostructured catalyst according to claim 35, comprising nanoparticles of one or more metals selected from transition metals or lanthanide metals, including inorganic compounds thereof. 前記1種以上の金属のナノ粒子が、導電性で、化学的に不活性な支持体上に支持される請求項36に記載のナノ構造触媒。   37. The nanostructured catalyst of claim 36, wherein the one or more metal nanoparticles are supported on a conductive, chemically inert support. 電池の動作温度および圧力で少なくとも100mg/L、より好ましくは200mg/L超、最も好ましくは400mg/L超の二窒素溶解度と、電池の動作温度および圧力で5wt%未満、より好ましくは2%未満、最も好ましくは1%未満の水溶解度を有する1種以上の塩を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法に従うアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元のための電解質。   Dinitrogen solubility of at least 100 mg / L, more preferably more than 200 mg / L, most preferably more than 400 mg / L at battery operating temperature and pressure, less than 5 wt%, more preferably less than 2% at battery operating temperature and pressure An electrolyte for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia according to the process of claim 1, characterized in that it comprises one or more salts, most preferably having a water solubility of less than 1%. 膜をさらに含む請求項38に記載の電解質。   39. The electrolyte of claim 38, further comprising a membrane. 前記膜が、ポリマー電解質またはポリマー電解質と液体塩とのブレンド、またはゲル状液体塩電解質、または多孔質セパレータに浸漬した電解質から選択される請求項39に記載の電解質。   40. The electrolyte according to claim 39, wherein the membrane is selected from a polymer electrolyte or a blend of a polymer electrolyte and a liquid salt, or a gelled liquid salt electrolyte, or an electrolyte immersed in a porous separator. 90vol%〜0.1vol%、より好ましくは20vol%〜0.2vol%、最も好ましくは50vol%〜0.5vol%の濃度で液体塩媒体中に存在する分子性液体をさらに含む請求項38に記載の電解質。   39. The method according to claim 38, further comprising a molecular liquid present in the liquid salt medium at a concentration of 90 vol% to 0.1 vol%, more preferably 20 vol% to 0.2 vol%, most preferably 50 vol% to 0.5 vol%. Electrolyte. 90vol%〜0.1vol%、より好ましくは20vol%〜0.2vol%、最も好ましくは50vol%〜0.5vol%の濃度で液体塩媒体中に存在する、ジメチルスルホキシド、テトラグライムおよび他のオリゴ−およびポリ−エーテル、グルタロニトリルおよび他の高沸点ニトリル、トリフルオロトルエンから選択される分子性液体をさらに含む請求項38に記載の電解質。   Dimethyl sulfoxide, tetraglyme and other oligo-, present in the liquid salt medium at a concentration of 90 vol% to 0.1 vol%, more preferably 20 vol% to 0.2 vol%, most preferably 50 vol% to 0.5 vol% 39. The electrolyte of claim 38, further comprising a molecular liquid selected from poly-ethers, glutaronitrile and other high boiling point nitriles, trifluorotoluene. 多孔質導電性電極材料およびナノ構造触媒を含むハイブリッド構造を有し、電気化学的に活性な表面領域と、電極の本体内でガスのアクセスと電解質のアクセスの両方を可能にするように構成された多数の孔とを有する請求項1に記載の方法に従うアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元のための電極。   It has a hybrid structure including a porous conductive electrode material and a nanostructured catalyst, and is configured to allow both gas and electrolyte access within the body of the electrode and the electrochemically active surface area An electrode for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia according to the method of claim 1 having a large number of pores. 前記孔が、イオン導電性材料で少なくとも部分的に満たされている請求項43に記載の電極。   44. The electrode of claim 43, wherein the holes are at least partially filled with an ion conductive material. 触媒材料またはゲル状液体塩で含浸された多孔質金属または炭素を含む膜である請求項1に記載の方法に従うアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元のための電極。   An electrode for the electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia according to the method of claim 1, which is a membrane comprising a porous metal or carbon impregnated with a catalytic material or a gelled liquid salt. 請求項1に記載の電池での使用のための、1種以上の液体塩と組み合わせた材料の薄層を含む電解質膜であって、前記液体塩が、
(i)PR1−4、NR1−4、CNR(式中、R基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にハロゲン化されており、任意選択的にヘテロ原子を含み、任意選択的に好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるカチオンと、
(ii)(RO)PF6−x、(RO)BF4−x、R’SONSOR’、R’SOC(SOR’)(SOR’)、FSONSOF、CBF、CPF、RCBF、RCPF、CFSO、R’SO、R’CO、CFCOO、R’PF6−x、R’BF4−x(式中、R’基はそれぞれ独立に直鎖、分岐状または環状であり、好ましくは1〜18個の炭素原子を含み、任意選択的に部分的にまたは完全にフッ素化されており、任意選択的に、好ましくはエーテル、アルコール、カルボニル、チオール、スルホキシド、スルホネート、アミン、アゾまたはニトリルから選択される官能基を含み、2個のR’基は結合して、単環または複素環を形成してもよい。)からなる群より選択されるアニオンとの組み合わせによって形成されることを特徴とする電解質膜。
An electrolyte membrane comprising a thin layer of material in combination with one or more liquid salts, for use in the battery according to claim 1, wherein the liquid salt is
(I) PR 1-4 , NR 1-4 , C 4 H 8 NR 2 wherein the R groups are each independently linear, branched or cyclic, and preferably contain 1 to 18 carbon atoms , Optionally partially or completely halogenated, optionally containing heteroatoms, optionally from preferably an ether, alcohol, carbonyl, thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile A cation selected from the group consisting of selected functional groups, and two R groups may be combined to form a single ring or a heterocyclic ring);
(Ii) (RO) x PF 6-x, (RO) x BF 4-x, R'SO 2 NSO 2 R ', R'SO 2 C (SO 2 R') (SO 2 R '), FSO 2 NSO 2 F, C 2 O 4 BF 2 , C 2 O 4 PF 4 , RC 2 O 4 BF 2 , RC 2 O 4 PF 4 , CF 3 SO 3 , R'SO 3 , R'CO 2 , CF 3 COO , R ′ x PF 6-x , R ′ x BF 4-x (wherein each R ′ group is independently linear, branched or cyclic, preferably contains 1 to 18 carbon atoms, and is optional Optionally partially or completely fluorinated, optionally comprising a functional group preferably selected from ether, alcohol, carbonyl, thiol, sulfoxide, sulfonate, amine, azo or nitrile, two R 'groups are combined to form a single or heterocyclic ring Electrolyte membrane characterized in that it is formed by a combination of anion selected from the group consisting of may also.) To.
前記材料の薄層が、ポリマー、ゲルまたは多孔質セパレータ材料を含む群から選択される請求項46に記載の電解質膜。   47. The electrolyte membrane of claim 46, wherein the thin layer of material is selected from the group comprising polymers, gels or porous separator materials. 前記液体塩がポリマーと組み合わせられている請求項46に記載の電解質膜。   47. The electrolyte membrane of claim 46, wherein the liquid salt is combined with a polymer. 前記液体塩がゲルと組み合わせられている請求項46に記載の電解質膜。   47. The electrolyte membrane of claim 46, wherein the liquid salt is combined with a gel. 前記液体塩が多孔質セパレータと組み合わせられている請求項46に記載の電解質膜。   47. The electrolyte membrane of claim 46, wherein the liquid salt is combined with a porous separator. 請求項17に記載の電気化学電池、請求項35に記載のナノ構造触媒および請求項38に記載の電解質を用いて実施される請求項1に記載のアンモニアへの二窒素の電気化学的な還元方法。   The electrochemical reduction of dinitrogen to ammonia according to claim 1 carried out using the electrochemical cell according to claim 17, the nanostructured catalyst according to claim 35 and the electrolyte according to claim 38 Method.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019018875A1 (en) * 2017-07-27 2019-01-31 Monash University Method, cell and electrolyte for dinitrogen conversion
BR112020004397A2 (en) * 2017-09-08 2020-09-08 Haskoli Islands ammonia production process, and ammonia generation system.
EP3815164A4 (en) * 2018-06-28 2022-04-20 Monash University An electrocatalytic composition and cathode for the nitrogen reduction reaction
BR112021010391A2 (en) * 2018-11-29 2021-08-24 Atmonia Ehf. Process to produce ammonia, and system to generate ammonia
KR102244158B1 (en) * 2019-02-01 2021-04-23 한국화학연구원 Electrochemical system for producing ammonium nitrate from nitrogen oxides and preparation method thereof
WO2020169848A1 (en) * 2019-02-22 2020-08-27 Katholieke Universiteit Leuven Electrocatalytic reduction of nitrogen to ammonia
CN116323487A (en) * 2020-07-31 2023-06-23 莫纳什大学 Method for continuous electrochemical reduction of nitrogen molecules
US20220081786A1 (en) * 2020-09-16 2022-03-17 Battelle Energy Alliance, Llc Methods for producing ammonia and related systems
CN114540847A (en) * 2022-02-15 2022-05-27 中国科学院过程工程研究所 Ionic liquid reinforced CO containing nitrile group and phenolic hydroxyl group2Method for preparing oxalate by electroreduction
FR3135733A1 (en) * 2022-05-19 2023-11-24 Centre National De La Recherche Scientifique Process for producing ammoniacal nitrogen

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012184132A (en) * 2011-03-04 2012-09-27 Nagoya Institute Of Technology Ammonia production method
JP2014040336A (en) * 2012-08-21 2014-03-06 Nagoya Institute Of Technology Method for producing ammonia and apparatus for producing ammonia
WO2015009155A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 Technische Universiteit Delft Electrolytic cell for the production of ammonia

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8172998B2 (en) * 2003-08-21 2012-05-08 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Ionic solvents used in ionic polymer transducers, sensors and actuators
US7314544B2 (en) * 2004-09-07 2008-01-01 Lynntech, Inc. Electrochemical synthesis of ammonia
US8152988B2 (en) * 2007-08-31 2012-04-10 Energy & Enviromental Research Center Foundation Electrochemical process for the preparation of nitrogen fertilizers
KR101870228B1 (en) * 2014-11-17 2018-06-25 한국에너지기술연구원 Ammonia Synthesizer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012184132A (en) * 2011-03-04 2012-09-27 Nagoya Institute Of Technology Ammonia production method
JP2014040336A (en) * 2012-08-21 2014-03-06 Nagoya Institute Of Technology Method for producing ammonia and apparatus for producing ammonia
WO2015009155A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 Technische Universiteit Delft Electrolytic cell for the production of ammonia

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TED M. PAPPENFUS他: "Wind to Ammonia: Electrochemical Processes in Room Temperature Ionic Liquids", ECS TRANSACTIONS, vol. Volume 16, Number 49, JPN7020003509, 2009, US, pages 89 - 93, ISSN: 0004715806 *

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Wang et al. Highly selective electrocatalytic reduction of CO2 to HCOOH over an in situ derived hydrocerussite thin film on a Pb substrate
Min et al. Enhancing CO2 electroreduction to syngas by active protons of imidazolium ionic liquids: From performance to mechanism
He et al. Boosting electrocatalytic CO2 reduction over Ni/CN catalysts derived from metal-triazolate-framework by doping with chlorine
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Puppin et al. Effect of the oxidation state and morphology of SnO x-based electrocatalysts on the CO 2 reduction reaction
Smith et al. Insights into Metal–Organic Framework-Derived Copper Clusters for CO2 Electroreduction
Fan et al. The state-of-the-art in the electroreduction of NO x for the production of ammonia in aqueous and nonaqueous media at ambient conditions: a review
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