JP5904760B2 - Electrolytic nitrogen fixation method - Google Patents
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Description
本発明は、一般的には窒素固定法に関し、特定的には、窒素酸化物として窒素を固定する方法に関する。 The present invention relates generally to nitrogen fixation, and specifically to a method for fixing nitrogen as nitrogen oxides.
窒素固定とは、空気中に多量に存在する窒素分子を、窒素化合物(アンモニア、窒素酸化物など)に変換するプロセスをいう。 Nitrogen fixation refers to a process of converting nitrogen molecules present in large amounts in the air into nitrogen compounds (ammonia, nitrogen oxides, etc.).
この窒素固定については、自然界では、例えばニトロゲナーゼを持つ菌類によってアンモニアが生成されることにより行われる。あるいは、雷の放電や紫外線により窒素酸化物が形成され、これが雨水に溶けることで硝酸となって土壌に固定される。 This nitrogen fixation is performed in nature by, for example, producing ammonia by a fungus having nitrogenase. Alternatively, nitrogen oxides are formed by lightning discharge or ultraviolet rays, and this is dissolved in rainwater to become nitric acid, which is fixed to the soil.
人工的に合成される窒素化合物の最たる例がアンモニアである。20世紀初頭に、このアンモニアの製造を人工的に行う方法が開発され、それ以降、特に食糧増産(窒素肥料製造)の観点から、人類に多大な恩恵をもたらしてきた。その製造法はハーバー・ボッシュ法と呼ばれ、現在も全世界のアンモニア製造を担っている。このプロセスでは窒素と水素を触媒のもとで高温・高圧で反応させてアンモニアを合成する。しかしながら、現行のハーバー・ボッシュ法によるアンモニア製造では、水素を炭化水素の水蒸気改質によって得ており、この際に多量のCO2を排出する。地球温暖化ガスの代表例とされるCO2の排出が世界的に問題視されている現状に鑑みると、現行のアンモニア製造プロセスは、人工的な窒素固定法として、必ずしも優れたプロセスであるとは言い得なくなってきている。 The best example of an artificially synthesized nitrogen compound is ammonia. In the beginning of the 20th century, a method for artificially producing ammonia was developed, and since then, it has brought tremendous benefits to mankind, especially from the viewpoint of increasing food production (nitrogen fertilizer production). The production method is called the Harbor Bosch method and is currently responsible for ammonia production worldwide. In this process, nitrogen and hydrogen are reacted at a high temperature and pressure under a catalyst to synthesize ammonia. However, in the ammonia production by the current Harbor Bosch method, hydrogen is obtained by steam reforming of hydrocarbon, and a large amount of CO 2 is discharged at this time. In view of the current situation where CO 2 emission, which is a representative example of global warming gas, is regarded as a problem worldwide, the current ammonia production process is not necessarily an excellent process as an artificial nitrogen fixation method. Can no longer be said.
一方、窒素酸化物もまた(近年では、内燃機関からの排出ガスに含まれる大気汚染物質としての側面ばかりが注目されているが)、硝酸や窒素肥料を製造するために不可欠な物質である。純粋な窒素酸化物を得るために、現行の製造プロセスでは上記のアンモニアを原料としている。このプロセスでは、アンモニアを白金や白金ロジウム合金などの高価な触媒のもとで燃焼させて一酸化窒素を得た後、さらに常温で酸素と反応させて二酸化窒素を得る。ここで得られた二酸化窒素と水との反応を経て、硝酸が得られる。この硝酸の製造方法はオストワルト法と呼ばれており、現在も大量の硝酸が工業的に生産されている。 On the other hand, nitrogen oxides are also indispensable for producing nitric acid and nitrogen fertilizers (although in recent years, only aspects as air pollutants contained in exhaust gas from internal combustion engines have attracted attention). In order to obtain pure nitrogen oxides, the current production process uses the above ammonia as a raw material. In this process, ammonia is burned under an expensive catalyst such as platinum or a platinum rhodium alloy to obtain nitrogen monoxide, and further reacted with oxygen at room temperature to obtain nitrogen dioxide. Nitric acid is obtained through a reaction between the nitrogen dioxide obtained here and water. This method for producing nitric acid is called the Ostwald method, and a large amount of nitric acid is still produced industrially.
また、例えば、特開昭58−162276号公報(特許文献1)には、窒素ガスと酸素ガスとの混合気体をプラズマ化して窒素酸化物を生成する方法が記載されている。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 58-162276 (Patent Document 1) describes a method of generating nitrogen oxides by converting a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas into plasma.
また、例えば、特開平11−92120号公報(特許文献2)には、窒素ガスと酸素ガスから、フラーレンを触媒として光化学的に窒素酸化物を生成する方法が記載されている。 Further, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-92120 (Patent Document 2) describes a method for photochemically generating nitrogen oxide from nitrogen gas and oxygen gas using fullerene as a catalyst.
また、例えば、特開2002−338214号公報(特許文献3)には、オゾンと窒素を原料として、窒素がオゾンにより酸化されることにより、亜酸化窒素を生成する亜酸化窒素の生成方法および製造装置が記載されている。 In addition, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-338214 (Patent Document 3) discloses a method and a production method of nitrous oxide that generates nitrous oxide by oxidizing nitrogen with ozone using ozone and nitrogen as raw materials. An apparatus is described.
しかしながら、オストワルト法においては、窒素酸化物を製造するための原料としてアンモニアを製造する必要がある。 However, in the Ostwald method, it is necessary to produce ammonia as a raw material for producing nitrogen oxides.
また、特許文献1に記載の方法ではプラズマ発生のための高価で複雑な装置が必要であり、また量産性にも乏しいことから、窒素酸化物を使った滅菌等に利用が限られていた。
In addition, the method described in
特許文献2に記載の方法では、窒素酸化物の生成速度が遅く、大量生産には向かないと考えられた。
In the method described in
特許文献3に記載の方法では、窒素酸化物を得るために酸素からオゾンを製造する必要があった。 In the method described in Patent Document 3, it was necessary to produce ozone from oxygen in order to obtain nitrogen oxides.
そこで、この発明の目的は、アンモニアやオゾンなどを原料として利用するのではなく、窒素ガスと酸素ガスから直接的に窒素酸化物を生成し、量産化にも容易に対応できる方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method that does not use ammonia, ozone, or the like as a raw material, but generates nitrogen oxides directly from nitrogen gas and oxygen gas and can easily cope with mass production. It is.
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、窒素ガスと酸素ガスを原料とし、電気化学反応を利用して窒素酸化物を生成する、窒素固定の新しいプロセスを見出すに至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found a new process for nitrogen fixation in which nitrogen gas and oxygen gas are used as raw materials and nitrogen oxides are generated using an electrochemical reaction.
本発明では、窒化物イオンと酸素ガスを用いる方法(以下、方法Aとする)と、窒素ガスと酸化物イオンを用いる方法(以下、方法Bとする)の二つの方法を提供する。 The present invention provides two methods: a method using nitride ions and oxygen gas (hereinafter referred to as method A) and a method using nitrogen gas and oxide ions (hereinafter referred to as method B).
この発明の一つの局面に従った電解窒素固定法(方法A)は、次のステップ(a1)〜(a5)を含む。ステップ(a1)では、陽極と陰極と、陽極と陰極とに接触する溶融塩からなる電解質とを準備する。ステップ(a2)では、陰極に窒素ガスを供給する。ステップ(a3)では、電解質中に酸素ガスを供給する。ステップ(a4)では、陽極と陰極との間に、陰極において窒素が還元されて窒化物イオンが生成し、陽極において酸化物イオンが酸化されて酸素が発生する電圧を印加する。ステップ(a5)では、ステップ(a4)で生成される窒化物イオンとステップ(a3)で供給される酸素とを接触させる。陰極は、陰極に供給された窒素ガスを電解質にまで供給することが可能であるように構成されている。 The electrolytic nitrogen fixation method (Method A) according to one aspect of the present invention includes the following steps (a1) to (a5). In step (a1), an anode, a cathode, and an electrolyte made of a molten salt in contact with the anode and the cathode are prepared. In step (a2), nitrogen gas is supplied to the cathode. In step (a3), oxygen gas is supplied into the electrolyte. In step (a4), a voltage is applied between the anode and the cathode such that nitrogen is reduced at the cathode to generate nitride ions, and oxide ions are oxidized at the anode to generate oxygen. In step (a5), the nitride ions generated in step (a4) are brought into contact with oxygen supplied in step (a3). The cathode is configured so that nitrogen gas supplied to the cathode can be supplied to the electrolyte.
電解質と接するように固定された陰極(窒素ガス陰極)では、窒素ガスが電気化学的に還元されて窒化物イオンが電解質中に供給される。
1/2 N2 + 3 e− → N3−
In the cathode (nitrogen gas cathode) fixed so as to be in contact with the electrolyte, nitrogen gas is electrochemically reduced and nitride ions are supplied into the electrolyte.
1/2 N 2 + 3 e − → N 3 −
窒化物イオンを含む電解質中に酸素ガスを供給することにより、窒化物イオンと酸素ガスは直接反応して窒素酸化物NOnを生成する(以下では、この反応を反応Aと表記する)。ここでNOnとはNO、NO2の他、N2O、N2O3、N2O4、N2O5などを指すものとする。
(反応A) N3− + (2n+3)/4 O2 → NOn + 3/2 O2−
By supplying the oxygen gas to the electrolyte containing a nitride ion, nitride ion and oxygen gas react directly to form nitrogen oxides NO n (hereinafter, referred to the reaction and reaction A). Here, NO n refers to N 2 O, N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5 and the like in addition to NO and NO 2 .
(Reaction A) N 3 + (2n + 3) / 4 O 2 → NO n + 3/2 O 2−
このNOn生成反応により生成する酸化物イオンは、同じく電解質と接するように配置された陽極上で酸化され、酸素ガスを発生する。
3/2 O2− → 3/4 O2 + 3 e−
Oxide ions generated by this NO n generation reaction are oxidized on an anode arranged so as to be in contact with the electrolyte, and oxygen gas is generated.
3/2 O 2− → 3/4 O 2 + 3 e −
全反応式は次のようになり、窒素ガスと酸素ガスから窒素酸化物NOnが生成する。
1/2 N2 +n/2 O2 → NOn
The overall reaction formula is as follows, and nitrogen oxides NO n are generated from nitrogen gas and oxygen gas.
1/2 N 2 + n / 2 O 2 → NO n
陽極で発生した酸素ガスは、回収して再度NOn生成のための原料ガスとして利用するのが好ましい。 The oxygen gas generated at the anode is preferably recovered and used again as a raw material gas for NOn generation.
この発明に従った方法Aの電解窒素固定法においては、ステップ(a5)は、溶融塩を、陰極から、ステップ(a3)によって酸素ガスが供給される位置を経て、陽極まで流動させることによって行われることが好ましい。 In the electrolytic nitrogen fixation method of the method A according to the present invention, step (a5) is performed by flowing the molten salt from the cathode to the anode through the position where oxygen gas is supplied by step (a3). Are preferred.
この発明に従った方法Aの電解窒素固定法においては、陰極は、多孔質体によって形成されていることが好ましい。 In the electrolytic nitrogen fixation method of Method A according to the present invention, the cathode is preferably formed of a porous body.
このようにすることにより、窒素ガスを陰極と電解質との界面にまで供給することが可能であり、かつ、反応面積を大きくするように陰極を構成することができる。なお、陰極は、必ずしも多孔質体でなくてもよい。 By doing so, it is possible to supply nitrogen gas to the interface between the cathode and the electrolyte, and the cathode can be configured to increase the reaction area. The cathode is not necessarily a porous body.
この発明の別の局面に従った電解窒素固定法(方法B)は、次のステップ(b1)〜(b4)を含む。ステップ(b1)では、陽極と陰極と、陽極と陰極との間に配置された電解質とを準備する。ステップ(b2)では、陽極に窒素ガスを接触させる。ステップ(b3)では、陰極に酸素ガスを接触させる。ステップ(b4)では、陽極と陰極との間に、陰極において酸素ガスが還元されて酸化物イオンが生成し、陽極において酸化物イオンが酸化されて窒素酸化物が生成する電圧を印加する。 The electrolytic nitrogen fixation method (Method B) according to another aspect of the present invention includes the following steps (b1) to (b4). In step (b1), an anode, a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode are prepared. In step (b2), nitrogen gas is brought into contact with the anode. In step (b3), oxygen gas is brought into contact with the cathode. In step (b4), a voltage is applied between the anode and the cathode so that oxygen gas is reduced at the cathode to generate oxide ions, and oxide ions are oxidized at the anode to generate nitrogen oxides.
電解質は、陰極において酸素ガスを還元させることによって生成された酸化物イオンが陽極まで移動できるように構成されている。陽極は、陽極に接触した窒素ガスを陽極と電解質との界面にまで供給することが可能であるように構成されている。陰極は、陰極に接触した酸素ガスを陰極と電解質との界面にまで供給することが可能であるように構成されている。 The electrolyte is configured such that oxide ions generated by reducing oxygen gas at the cathode can move to the anode. The anode is configured such that nitrogen gas in contact with the anode can be supplied to the interface between the anode and the electrolyte. The cathode is configured such that oxygen gas in contact with the cathode can be supplied to the interface between the cathode and the electrolyte.
このように、方法Bでは、溶融塩もしくは酸化物イオン導電性の固体電解質を電解質として用いることが好ましい。電解質と接するように固定された酸素ガス陰極では、酸素ガスが電気化学的に還元されて酸化物イオンが電解質中に供給される。
n/2 O2 + 2n e− → nO2−
Thus, in Method B, it is preferable to use a molten salt or an oxide ion conductive solid electrolyte as the electrolyte. In the oxygen gas cathode fixed in contact with the electrolyte, the oxygen gas is electrochemically reduced and oxide ions are supplied into the electrolyte.
n / 2 O 2 + 2ne − → nO 2−
ここで生成された酸化物イオンは、窒素ガスが供給される陽極で酸化され、NOnを生成する(以下では、この反応を反応Bと表記する)。
(反応B) 1/2 N2 + nO2− → NOn + 2ne−
The oxide ions generated here are oxidized at the anode supplied with nitrogen gas to generate NO n (hereinafter, this reaction is referred to as reaction B).
(Reaction B) 1/2 N 2 + nO 2− → NO n + 2ne −
全反応式は方法Aと同じになる。
1/2 N2 +n/2 O2 → NOn
The overall reaction formula is the same as method A.
1/2 N 2 + n / 2 O 2 → NO n
以上より、この発明によれば、窒素ガスと酸素ガスから直接的に窒素酸化物を生成する方法を提供することができる。 As mentioned above, according to this invention, the method of producing | generating a nitrogen oxide directly from nitrogen gas and oxygen gas can be provided.
この発明に従った方法Bの電解窒素固定法においては、電解質は、溶融塩または酸化物イオン伝導性の固体電解質であることが好ましい。 In the electrolytic nitrogen fixation method of Method B according to the present invention, the electrolyte is preferably a molten salt or a solid electrolyte having oxide ion conductivity.
この発明に従った方法Bの電解窒素固定法においては、陽極は、多孔質体によって形成されていることが好ましい。 In the electrolytic nitrogen fixing method of Method B according to the present invention, the anode is preferably formed of a porous body.
このようにすることにより、窒素ガスを陽極と電解質との界面にまで供給することが可能であるように陽極を構成することができる。なお、陽極は、必ずしも多孔質体でなくてもよい。 In this way, the anode can be configured so that nitrogen gas can be supplied to the interface between the anode and the electrolyte. Note that the anode is not necessarily a porous body.
この発明に従った方法Bの電解窒素固定法においては、陰極は、多孔質体によって形成されていることが好ましい。 In the electrolytic nitrogen fixation method of Method B according to the present invention, the cathode is preferably formed of a porous body.
このようにすることにより、酸素ガスを陰極と電解質との界面にまで供給することが可能であり、かつ、反応面積を大きくするように陰極を構成することができる。なお、陰極は、必ずしも多孔質体でなくてもよい。 By doing so, oxygen gas can be supplied to the interface between the cathode and the electrolyte, and the cathode can be configured to increase the reaction area. The cathode is not necessarily a porous body.
以上のように、この発明によれば、窒素ガスと酸素ガスから直接的に窒素酸化物を生成する方法を提供することができる。 As mentioned above, according to this invention, the method of producing | generating a nitrogen oxide directly from nitrogen gas and oxygen gas can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1に示すように、方法Aによって窒素酸化物を製造するための窒素酸化物製造装置1は、陽極11と、陰極12と、溶融塩からなる電解質13と、窒素ガス供給部14と、酸素ガス供給部15と、酸素ガス供給管151と、窒素酸化物ガス排出部16と、電源部17と、酸素ガス排出部18とを備える。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, a nitrogen
陽極11と陰極12とは電解質13に接触するように、電解質13を介して互いに対向するように配置されている。すなわち、電解質13は陽極11と陰極12との間に挟まれている。陰極12において電解質13に接触する面と反対側の面には窒素ガス供給部14によって窒素ガスが供給される。電解質13内の酸素ガス供給部15には酸素ガス供給管151を通して電解質13の外部から酸素ガスが供給される。電解質13には、電解質13中の窒素酸化物を電解質13の外部に排出するための窒素酸化物ガス排出部16が接続されている。陽極11において電解質13に接触する面と反対側の面には酸素ガス排出部18が接続されている。電源部17は陽極11と陰極12との間に電圧を印加する。
The
陽極11では、NOn生成時に同時に生成した酸化物イオンが酸化され酸素ガスが生成する。したがって、溶融塩電解で通常用いられる酸素発生陽極が利用でき、ニッケルフェライトなどの導電性セラミクスや導電性ダイヤモンドが例示できる。ただし、電解開始直後などの電解質中の酸化物イオンの濃度が低い場合、電解電流の大きさによっては、たとえばLiCl−KClなどの溶融塩化物を溶融塩として用いる場合では、陽極が損耗する可能性がある。そのため、陽極反応に応じて黒鉛やグラッシーカーボンなどの炭素電極を使う、もしくは酸化リチウムや酸化カルシウムなどの添加により酸化物イオンをあらかじめ電解質中に供給しておくことで電解初期においても陽極反応が酸素発生となるようにする、などの措置を講じるのが好ましい。
In the
陰極12では、窒素ガスを還元して窒化物イオンを電解質中に供給する。従って、陰極の材質は、窒素ガスを安定して還元できる金属や合金、化合物であればよい。例えば、ニッケルや鉄を含むものが好ましく、特にニッケルを含むものが好ましい。陰極の形状としては、電解質との界面にまで窒素を供給するため、MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell、溶融炭酸塩形燃料電池)の電極に用いられるような多孔質、金網状、メッシュ状が好ましく、陰極の表面にPt、Ir、Ru等の触媒を担持してもよい。このようにNOnを生成するための窒化物イオンは陰極から供給されるが、あらかじめ電解質中にLi3Nなどの窒化物イオン源を添加しておくことで、電解初期においても窒化物イオンが酸素ガスとスムーズに反応することができる。
At the
電解質13としては、窒化物イオン及び酸化物イオンが安定に存在できる溶融塩を用いることができる。溶融塩としては、例えば、アルカリ金属ハロゲン化物およびアルカリ土類金属ハロゲン化物の少なくとも一種が挙げられる。アルカリ金属ハロゲン化物としては、例えば、LiF、NaF、KF、RbF、CsF、LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、CsI等が挙げられる。アルカリ土類金属ハロゲン化物としては、例えば、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2、MgBr2、CaBr2、SrBr2、BaBr2、MgI2、CaI2、SrI2、BaI2等が挙げられる。これらの化合物は単独または二種以上を組み合わせて溶融塩として使用できる。化合物の組み合わせや混合比は限定的ではなく、目的毎に定められた溶融塩の作動温度等に応じて適宜設定すればよい。
As the
方法Aでは、電解質13は、酸化リチウムや酸化カルシウムなどのアルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物を含むことが好ましい。このようにすることにより、電解質13中に酸化物イオンを供給することができるので、電解開始直後から陽極11では酸化物イオンが酸化されて酸素ガスが発生する。この場合、陽極11に炭素電極を用いると炭素が消耗するので、電解初期の段階からニッケルフェライトなどの不溶性酸素発生陽極を用いることが好ましい。
In Method A, the
以上のように構成される窒素酸化物製造装置1の動作について説明する。
Operation | movement of the nitrogen
窒素酸化物製造装置1においては、上述のように、陽極11と陰極12とが電解質13を挟むように配置されている。まず、窒素ガス供給部14に窒素ガスを供給することによって、陰極12に窒素ガスを接触させる。次に、陽極11と陰極12との間に、陰極12において窒素ガスが還元されて窒化物イオンが生成し、陽極11において酸化物イオンが酸化されて酸素ガスが発生する電圧を印加する。また、酸素ガス供給管151から酸素ガス供給部15に酸素ガスを供給することによって電解質13中に酸素ガスが供給される。
In the nitrogen
陰極12は、窒素ガスを供給できるように形成されているので、窒素ガスは陰極12の内部を通って、陰極12と電解質13との界面に到達する。陰極12と電解質13との界面では、次の反応が起きて窒化物イオンが生成する。
Since the
(1/2)N2+3e− → N3−
生成した窒化物イオンは、電解質13中を移動して、酸素供給部15に到達する。
(1/2) N 2 + 3e − → N 3 −
The generated nitride ions move through the
酸素供給部15では、酸素ガスと、陰極12側から移動してきた窒化物イオンとが接触し、次の反応によって窒素酸化物と酸化物イオンとが生成される。
In the
(反応A)N3−+(2n+3)/4 O2 → NOn+3/2 O2− (Reaction A) N 3 + (2n + 3) / 4 O 2 → NO n +3/2 O 2−
生成した窒素酸化物は窒素酸化物ガス排出部16から電解質13の外部に取り出される。酸化物イオンは、陽極11側へ移動する。陽極11では、次の反応によって酸素ガスが発生する。
The generated nitrogen oxide is taken out of the
3/2 O2− → 3/4 O2 +3e− 3/2 O 2− → 3/4 O 2 + 3e −
陽極11で発生した酸素ガスは、酸素ガス排出部18から電解質13の外部に排出される。陽極11で発生した酸素ガスは、回収して再度NOn生成のための原料ガスとして、酸素ガス供給管151から電解質13へ供給するように利用するのが好ましい。
The oxygen gas generated at the
作動温度は、電解質13である溶融塩が安定に利用できる温度領域で作動させれば特に制限はされない。
The operation temperature is not particularly limited as long as the operation is performed in a temperature range where the molten salt as the
陽極11と陰極12との間に印加する電圧については、浴組成や作動温度などの条件に合わせて適宜調整すれば良いが、例えば450℃の溶融LiCl−KClを電解質に用いる場合には、陰極での窒素ガス還元反応はおよそ0.5V(vs.Li+/Li:同浴中で金属Liの示す電位を基準とする)よりも卑な電位領域で進行し、陽極での酸素ガス発生反応はおよそ2.5V(vs.Li+/Li)よりも貴な電位で進行することから、およそ2.0Vよりも大きい電圧を印加すれば良い。
The voltage applied between the
以上のように、窒素酸化物製造装置1において行われる電解窒素固定法は、次のステップ(a1)〜(a5)を含む。ステップ(a1)では、陽極11と陰極12と、陽極11と陰極12とに接触する溶融塩からなる電解質13とを準備する。ステップ(a2)では、陰極12に窒素ガスを供給する。ステップ(a3)では、電解質13中に酸素ガスを供給する。ステップ(a4)では、陽極11と陰極12との間に、陰極12において窒素ガスが還元されて窒化物イオンが生成し、陽極11において酸化物イオンが酸化されて酸素ガスが発生する電圧を印加する。ステップ(a5)では、ステップ(a4)で生成される窒化物イオンとステップ(a3)で供給される酸素とを接触させる。陰極12は、陰極12に供給された窒素ガスを電解質13にまで供給することが可能であるように構成されている。
As described above, the electrolytic nitrogen fixing method performed in the nitrogen
なお、ステップ(a2)とステップ(a3)とステップ(a4)とは同時に行われてもよいし、いずれか一つが先に行われてもよい。 Note that step (a2), step (a3), and step (a4) may be performed simultaneously, or any one of them may be performed first.
このようにすることにより、窒素ガスと酸素ガスから直接的に窒素酸化物を生成する方法を提供することができる。 By doing in this way, the method of producing | generating a nitrogen oxide directly from nitrogen gas and oxygen gas can be provided.
また、窒素酸化物製造装置1においては、陰極12は、多孔質体によって形成されている。陰極12は、ガス供給が可能な形態であれば、必ずしも多孔質である必要はない。
Moreover, in the nitrogen
このようにすることにより、窒素ガスを陰極12と電解質13との界面にまで供給することが可能であり、かつ、反応面積を大きくするように陰極12を構成することができる。
By doing in this way, it is possible to supply nitrogen gas to the interface of the
ここで、方法Aによって窒素酸化物を合成する場合、例えば、陰極12で生成した窒化物イオンが、NOn生成部(酸素ガス供給部15)で消費しきれず未反応のまま陽極11に達した場合には、次式のように陽極11で酸化されて窒素ガスとなり、陽極11での酸素発生の電流分担率を低下させることになる。
N3− → 1/2 N2 + 3e−
Here, when the nitrogen oxide is synthesized by the method A, for example, the nitride ions generated at the
N 3− → 1/2 N 2 + 3e −
あるいは電解質13中に供給される酸素ガスが、未反応のまま陰極12に達した場合にも、例えば次に示すように陰極12で還元されて酸化物イオンを生成し、陰極12での窒素還元反応の電流分担率を低下させる。
3/2 O2 + 2 e− → O2−
Alternatively, even when the oxygen gas supplied into the
3/2 O 2 + 2 e − → O 2−
そのため、方法Aでは、陰極12で生成した窒化物イオンが全てNOn生成部(酸素ガス供給部15)へ供給され、またNOn生成部(酸素ガス供給部15)で生成した酸化物イオンが全て陽極11へ供給され、そして確実に消費される必要がある。そこで、電解質13である溶融塩を、電解槽内でループ状に循環させて、この溶融塩の循環に沿って、陰極12、NOn生成部(酸素ガス供給部15)、陽極11を配置するのが好ましい。このようにすることで、陰極12で生成した窒化物イオンを全てNOn生成部(酸素ガス供給部15)へ供給し、かつ、NOn生成部(酸素ガス供給部15)で生成した酸化物イオンを全て陽極11へ供給することができる。
Therefore, in the method A, nitride ions generated at the
そこで、以下に、電解質をループ状に循環・流動させるように構成された窒素酸化物製造装置を用いて、方法Aによって窒素酸化物を製造する実施形態を説明する。 Therefore, an embodiment in which nitrogen oxide is produced by Method A using a nitrogen oxide production apparatus configured to circulate and flow an electrolyte in a loop will be described below.
(第2実施形態)
図2に示すように、第1実施形態の窒素酸化物製造装置1のより好ましい実施形態として、窒素酸化物製造装置2は、陽極21と、陰極22と、電解槽20と、電解槽20内に収容される、溶融塩からなる電解質23と、窒素ガス供給管24と、酸素ガス供給部25と酸素ガス供給管251と、窒素酸化物ガス排出部26と、電源部27と、酸素排出部28と、不活性ガス供給部29とを備える。陰極22は多孔質体によって形成されている。陰極22は、ガス供給が可能な形態であれば、必ずしも多孔質である必要はなく、第1実施形態で述べたように、例えば、金網状、メッシュ状に形成されていてもよい。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 2, as a more preferable embodiment of the nitrogen
電解槽20は、この実施形態においては、鉛直方向に延びる第1流路201と第2流路202と、水平方向に延びる第3流路203と第4流路204とから構成されている。第1流路201と第2流路202とは、上部において第3流路203によって連結され、下部において第4流路204によって連結されている。
In this embodiment, the
電解槽20の内部の流路はまた、1つの流路が鉛直面内で円周形状に形成されているものなど、ループ状であればどのような形態であってもよく、必ず4つの流路が必要というわけではない。
The flow path inside the
陽極21は、電解槽20の第3流路203内に配置される。陽極21では、NOn生成時に同時に生成した酸化物イオンが酸化され酸素ガスが生成する。陰極22は、電解槽20の第1流路201の上部に配置される。陰極22では、窒素ガスを還元して窒化物イオンを電解質中に供給する。窒素ガス供給管24は、電解槽20の外部から陰極22に窒素ガスを供給する。
The
陽極21、陰極22、電解質23の構成や作動温度については、図1を用いて説明した通りである。
The configuration and operating temperature of the
電解質23の第2流路202中の下部の酸素ガス供給部25には、電解槽20の外部から、酸素ガス供給管251を通して酸素ガスが供給される。電解質中の窒化物イオンと酸素ガスとの反応は気液反応であることから、石英ガラス製や高純度アルミナ製などの多孔質ガス供給部を含むガス供給管などを利用して供給する場合には、供給される酸素ガスの気泡サイズを小さくする方が、反応がスムーズに進行するので好ましい。また、Ni製などの金属製の供給管や、上記のガラス製やアルミナ製の供給管に、触媒を担持した充填材を保持することなどは、触媒効果により電解質中の窒化物イオンと酸素ガスとの反応を促進させ得るので、より好ましい。
Oxygen gas is supplied from the outside of the
第2流路202の上部の窒素酸化物ガス排出部26からは、窒素酸化物製造装置2で生成された窒素酸化物ガスが窒素酸化物製造装置2の外部に排出される。電源部27は、陽極21と陰極22との間に電圧を印加する。電源部27は、電源部27によって印加される電圧が、使用者によって制御されることが可能であるように構成されている。電解槽20の第3流路203の上部の酸素排出部28からは、電解槽20内で発生した酸素が電解槽20の外部に排出される。第2流路202の底部の不活性ガス供給部29は、図中に矢印Pで示すように、電解槽20の底部から電解質23中にアルゴン等の不活性ガスを供給する。
From the nitrogen oxide
以上のように構成される窒素酸化物製造装置2の動作について説明する。
Operation | movement of the nitrogen
窒素酸化物製造装置2においては、上述のように、陽極21と陰極22とが電解質23に接触するように配置されている。まず、酸素ガス供給管251から酸素ガス供給部25に酸素ガスを供給することによって電解質23中に酸素ガスが供給される。窒素ガス供給管24に窒素ガスを供給することによって、陰極22に窒素ガスを接触させる。次に、陽極21と陰極22との間に、陰極12において窒素ガスが還元されて窒化物イオンが生成し、陽極11において酸化物イオンが酸化されて酸素ガスが発生する電圧を印加する。
In the nitrogen
陰極22は、窒素ガスを供給できるように形成されているので、窒素ガスは陰極22の内部を通って、陰極22と電解質23との界面に到達する。陰極22と電解質23との界面では、次の反応が起きて窒化物イオンが生成する。
Since the
(1/2)N2+3e− → N3− (1/2) N 2 + 3e − → N 3 −
電解質23には、底部の不活性ガス供給部29から不活性ガスが供給されている。このようにすることにより、ガスリフトによって電解質23の第2流路202内に上昇流が生じ、溶融塩が電解槽20のループ内を循環・流動される。溶融塩の流動には、プロペラ等を用いた機械的な方法を用いてもよいが、酸素ガスや不活性ガスの供給を利用したガスリフトを用いる方が、機械的な駆動部が不要であり、装置構成が単純になるので好ましい。生成した窒化物イオンは、図中に矢印Qで示す方向に移動して、第1流路201、第4流路204を通って、酸素ガス供給部25に到達する。
An inert gas is supplied to the
酸素ガス供給部25では、酸素ガスと、陰極22側から移動してきた窒化物イオンとが接触し、次の反応によって窒素酸化物と酸化物イオンとが生成される。
In the oxygen
(反応A)N3−+(2n+3)/4 O2 → NOn+3/2 O2− (Reaction A) N 3 + (2n + 3) / 4 O 2 → NO n +3/2 O 2−
生成した窒素酸化物と酸化物イオンとは、ガスリフトによって第2流路202内を下から上へ移動する。窒素酸化物は、第2流路202の上部の窒素酸化物ガス排出部26から電解槽20の外部に取り出される。酸化物イオンは、図中に矢印Rで示すように第2流路202内から第3流路203へ移動して、陽極21に到達する。陽極21では、次の反応によって酸素ガスが発生する。
The generated nitrogen oxides and oxide ions move from the bottom to the top in the
3/2 O2− → 3/4 O2 +3e− 3/2 O 2− → 3/4 O 2 + 3e −
陽極21で発生した酸素ガスは、第3流路203の上部の酸素排出部28から電解槽20の外部に排出される。陽極21で発生した酸素ガスは、回収して再度NOn生成のための原料ガスとして、酸素ガス供給管251から電解質23へ供給するように利用するのが好ましい。
Oxygen gas generated at the
このように、電解質23は、陰極22において窒素ガスを還元させることによって生成された窒化物イオンが酸素ガス供給部25にまで移動できるように、かつ、酸素ガス供給部25において窒素酸化物生成時に同時に生成する酸化物イオンが陽極21にまで移動できるように構成されており、陽極21は、生成した酸素ガスを陽極21の外部にまで排出することが可能であるように構成されており、陰極22は、窒素ガスを陰極22に接触する電解質23との界面(陰極−窒素ガス−電解質三相界面)にまで供給することが可能であるように構成されている。
As described above, the
以上のように、窒素酸化物製造装置2において行われる電解窒素固定法は、次のステップ(a1)〜(a5)を含む。ステップ(a1)では、陽極21と陰極22と、陽極21と陰極22とに接触する溶融塩からなる電解質23とを準備する。ステップ(a2)では、陰極22に窒素ガスを供給する。ステップ(a3)では、電解質23中に酸素ガスを供給する。ステップ(a4)では、陽極21と陰極22との間に、陰極22において窒素ガスが還元されて窒化物イオンが生成し、陽極21において酸化物イオンが酸化されて酸素が発生する電圧を印加する。ステップ(a5)では、ステップ(a4)で生成される窒化物イオンとステップ(a3)で供給される酸素とを接触させる。陰極22は、陰極22に供給された窒素ガスを電解質23にまで供給することが可能であるように構成されている。
As described above, the electrolytic nitrogen fixing method performed in the nitrogen
また、窒素酸化物製造装置2において行われる電解窒素固定法においては、ステップ(a5)は、電解質23を、ステップ(a3)によって酸素ガスが供給される位置を経て、陽極21まで流動させることによって行われる。
Further, in the electrolytic nitrogen fixing method performed in the nitrogen
なお、ステップ(a2)とステップ(a3)とステップ(a4)とは同時に行われてもよいし、いずれか一つが先に行われてもよい。 Note that step (a2), step (a3), and step (a4) may be performed simultaneously, or any one of them may be performed first.
このようにすることにより、窒素ガスと酸素ガスから直接的に窒素酸化物を生成する方法を提供することができる。 By doing in this way, the method of producing | generating a nitrogen oxide directly from nitrogen gas and oxygen gas can be provided.
窒素酸化物製造装置2のその他の構成と効果は、窒素酸化物製造装置1(図1)と同様である。
Other configurations and effects of the nitrogen
(第3実施形態)
図3に示すように、方法Bによって窒素酸化物を製造するための窒素酸化物製造装置3は、陽極(窒素極)31と、陰極(酸素極)32と、電解質33と、窒素ガス供給部34と、酸素ガス供給部35と、窒素酸化物ガス排出部36と、電源部37とを備える。
(Third embodiment)
As shown in FIG. 3, the nitrogen oxide production apparatus 3 for producing nitrogen oxide by the method B includes an anode (nitrogen electrode) 31, a cathode (oxygen electrode) 32, an
陽極31と陰極32とは電解質33に接触するように、電解質33を介して互いに対向するように配置されている。すなわち、電解質33は陽極31と陰極32との間に挟まれている。陽極31も陰極32も多孔質体によって形成されている。陽極31と陰極32は、ガス供給が可能な形態であれば、必ずしも多孔質である必要はない。
The
陽極31は、電解質33との界面にまで酸素を供給できるような形態であることが必要である。電解により陽極31に含まれる成分が溶出したり、生成する窒素酸化物によって変質して反応が進行しないようになったりしない限り、どのような材質であってもよい。電解質として溶融塩を含む場合には、ニッケルフェライトなどの導電性セラミクスや導電性ダイヤモンドが例示できる。この場合、方法Aと同じく、例えば酸化リチウムや酸化カルシウムなどの添加により酸化物イオンをあらかじめ電解質中に供給しておくことで電解初期においても陽極31反応が酸素発生となるようにする、などの措置を講じるのが好ましい。電解質として酸化物イオン伝導性の固体電解質を用いる場合には、例えば金属であればNiなどが利用できる。あるいは、上記のようにSOFC(Solid Oxide Fuel Cell、固体酸化物形燃料電池)で使用されるようなLa−Sr−MnO系や、La−Sr−CoO3系、Sm−Sr−CoO3系、(La,Sr)(Co,Fe)O3系などのMIEC(Mixed Ionic−Electronic Conductors、イオン・電子混合伝導体)などを利用することもできる。また、窒素酸化物の生成反応を促進させる目的で、PtやIr、Ru、Rh、Fe等の金属や化合物の触媒が担持されていてもよい。
The
陰極32では、酸素ガスを還元して酸化物イオンを電解質33に供給する。従って、陰極32の材質は、酸素ガスを安定して還元できる金属や合金、化合物であればよく、例えば、SOFCで使用されるようなLa−Sr−MnO系や、La−Sr−CoO3系、Sm−Sr−CoO3系、(La,Sr)(Co,Fe)O3系などのMIECなどを利用することができる。また、電解質33との界面にまで酸素を供給するため、多孔質や金網状などのガス供給が可能な形態であることが必要である。また、純粋な酸素ガス以外にも、酸素を含む気体であって、酸素以外のガス成分の電気化学的な還元反応が進行しないのであれば使用でき、例えば乾燥空気などが例示できる。
At the
電解質33としては、酸化物イオンが安定に存在できる溶融塩や酸化物イオン伝導性の固体電解質を用いることができる。溶融塩としては、方法Aと同様の溶融塩が使用できる。酸化物イオン伝導性の固体電解質としては、具体的には、例えばSOFCで使用されるような、イットリア安定化ジルコニアやスカンジア安定化ジルコニアなどのジルコニア系セラミクスや、セリア系セラミクス、ランタンガレート系セラミクスなどが利用できる。
As the
窒素ガス供給部34には、窒素ガスが供給される。
Nitrogen gas is supplied to the nitrogen
酸素ガス供給部35には、酸素ガスが供給される。酸素ガス供給部35には、純粋な酸素ではなく、乾燥空気など酸素を含む気体が供給されていてもよい。
Oxygen gas is supplied to the oxygen
窒素酸化物ガス排出部36からは、窒素酸化物製造装置3で生成された窒素酸化物ガスが窒素酸化物製造装置3の外部に排出される。
From the nitrogen oxide
電源部37は、陰極32と陽極31との間に電圧を印加する。電源部37は、電源部37によって印加される電圧が、使用者によって制御されることが可能であるように構成されている。
The
以上のように構成される窒素酸化物製造装置3の動作について説明する。 Operation | movement of the nitrogen oxide manufacturing apparatus 3 comprised as mentioned above is demonstrated.
窒素酸化物製造装置3においては、上述のように、陽極31と陰極32とが電解質33を挟むように配置されている。まず、窒素ガス供給部34に窒素ガスを供給することによって、陽極31に窒素ガスを接触させる。酸素ガス供給部35に酸素ガスを供給することによって、陰極32に酸素ガスを接触させる。次に、陽極31と陰極32との間に、陰極32において酸素が還元されて酸化物イオンが生成し、陽極31において酸化物イオンが酸化されて窒素酸化物が生成する電圧を印加する。
In the nitrogen oxide manufacturing apparatus 3, as described above, the
陰極32は、酸素ガスを供給するように形成されているので、酸素ガスは陰極32の内部を通って、陰極32と電解質33との界面に到達する。陰極32と電解質33との界面では、次の反応が起きて酸化物イオンが生成する。
Since the
(1/2)n O2 + 2ne− → n
O2−
(1/2) n O 2 + 2ne − → n
O 2-
生成した酸化物イオンは、電解質33中を移動して、陽極31に到達する。
The generated oxide ions move through the
一方、陽極31は窒素ガスを供給するように形成されているので、窒素ガスは陽極31の内部を通って、陽極31と電解質33との界面に到達する。陽極31と電解質33との界面では、窒素ガスと、陰極32側から移動してきた酸化物イオンとの間で、次の反応が進行する。
On the other hand, since the
(B) 1/2 N2 + n O2− → NOn + 2n e− (B) 1/2 N 2 + n O 2- → NO n + 2n e -
このようにして、窒素酸化物が生成される。生成した窒素酸化物は、陽極31を通過して、窒素酸化物ガス排出部36から排出される。
In this way, nitrogen oxides are generated. The generated nitrogen oxide passes through the
作動温度としては、溶融塩が安定に利用できる温度領域、もしくは酸化物イオン伝導性が発現する温度領域で作動させれば特に制限はされない。上記のような固体酸化物電解質を使用する場合は、400〜1000℃、好ましくは500〜800℃で作動させるのがよい。 The operating temperature is not particularly limited as long as it is operated in a temperature range where the molten salt can be stably used or in a temperature range where oxide ion conductivity is exhibited. When using the above solid oxide electrolyte, it is preferable to operate at 400 to 1000 ° C, preferably 500 to 800 ° C.
陽極31と陰極32との間に印加する電圧については、浴組成作動温度などの条件に合わせて適宜調整すれば良い。例えば450℃の溶融LiCl−KClを用いる場合には、熱力学計算を参考にして、陽極電位がおよそ3V(vs.Li+/Li)よりも貴な電位領域となるように、陽極31と陰極32との間に印加する電圧を設定すれば良い。
What is necessary is just to adjust suitably the voltage applied between the
以上のように、窒素酸化物製造装置3において行われる電解窒素固定法は、次のステップ(b1)〜(b4)を含む。ステップ(b1)では、陽極31と陰極32と、陽極31と陰極32との間に挟むように配置された電解質33とを準備する。ステップ(b2)では、陽極31に窒素ガスを接触させる。ステップ(b3)では、陰極32に酸素ガスを接触させる。ステップ(b4)では、陽極31と陰極32との間に、陰極32において酸素が還元されて酸化物イオンが生成し、陽極31において酸化物イオンが酸化されて窒素酸化物が生成する電圧を印加する。
As described above, the electrolytic nitrogen fixing method performed in the nitrogen oxide production apparatus 3 includes the following steps (b1) to (b4). In step (b1), an
電解質33は、溶融塩または酸化物イオン伝導性の固体電解質であり、陰極32において酸素ガスを還元させることによって生成された酸化物イオンが陽極まで移動できるように構成されている。陽極31は、陽極31に接触した窒素ガスを電解質33にまで供給することが可能であるように構成されている。陰極32は、陰極32に接触した酸素ガスを電解質33にまで供給することが可能であるように構成されている。
The
このようにすることにより、窒素ガスと酸素ガスから直接的に窒素酸化物を生成する方法を提供することができる。 By doing in this way, the method of producing | generating a nitrogen oxide directly from nitrogen gas and oxygen gas can be provided.
なお、ステップ(b2)とステップ(b3)とステップ(b4)とは同時に行われてもよいし、いずれか一つが先に行われてもよい。 Note that step (b2), step (b3), and step (b4) may be performed simultaneously, or any one of them may be performed first.
窒素酸化物製造装置3においては、陽極31は、多孔質体によって形成されている。陽極31は、ガス供給が可能な形態であれば、必ずしも多孔質である必要はない。
In the nitrogen oxide production apparatus 3, the
このようにすることにより、陽極31に接触した窒素ガスを電解質33にまで供給することが可能であるように陽極31を構成することができる。
In this way, the
窒素酸化物製造装置3においては、陰極32は、多孔質体によって形成されている。陽極32は、ガス供給が可能な形態であれば、必ずしも多孔質である必要はない。
In the nitrogen oxide manufacturing apparatus 3, the
このようにすることにより、陰極32に接触した酸素ガスを電解質33にまで供給することが可能であるように陰極32を構成することができる。
In this way, the
(実施例1)
この発明の方法Aにおけるステップ(a2)〜(a4)では、陰極において窒素が還元されて窒化物イオンが生成し、陰極において陽極において酸化物イオンが酸化されて酸素が発生するが、これらの反応については、これまで発明者らが行ってきた溶融塩中での窒素ガスや酸素ガスの電極反応に関する研究成果などにより明らかとなっている。
(Example 1)
In steps (a2) to (a4) of Method A of the present invention, nitrogen is reduced at the cathode to produce nitride ions, and oxide ions are oxidized at the anode at the anode to generate oxygen. Has been clarified by the results of research on the electrode reaction of nitrogen gas and oxygen gas in the molten salt that the inventors have conducted so far.
従って、この発明の方法Aによって窒素酸化物が生成されることは、ステップ(a5)において窒化物イオンと酸素とが反応して窒素酸化物が生成するNOn生成反応Aを示すことにより、確認することができる。 Therefore, the formation of nitrogen oxides by the method A of the present invention is confirmed by showing the NO n generation reaction A in which the nitride ions and oxygen react to form nitrogen oxides in step (a5). can do.
方法AにおけるNOn生成反応Aを確認するための実施例として、次のような検討を行った。共融組成のLiCl−KClをAr雰囲気下の高純度アルミナ製坩堝内で450℃に保持し、N3−源として0.2mol%のLi3Nを添加したものを溶融塩として用いた。この溶融塩中に10vol%のO2を含むArガスを100cc・min−1でアルミナ管により吹き込み、溶融塩中のN3−と反応させた。所定時間経過後、生成したガスを回収し、NO及びNO2については北川式ガス検知管により生成ガスの評価を行った。表1は、サンプリングを行った時間(O2吹き込み開始後の経過時間)と、生成ガスとの関係を示す。 As an example for confirming the NO n generation reaction A in the method A, the following examination was performed. The eutectic composition LiCl—KCl was held at 450 ° C. in a high-purity alumina crucible under an Ar atmosphere, and 0.2 mol% Li 3 N added as an N 3 source was used as a molten salt. Ar gas containing 10 vol% O 2 in the molten salt was blown through an alumina tube at 100 cc · min −1 to react with N 3− in the molten salt. After the elapse of a predetermined time, the generated gas was recovered, and NO and NO 2 were evaluated for the generated gas using a Kitagawa gas detector tube. Table 1 shows the relationship between the sampling time (elapsed time after the start of O 2 blowing) and the product gas.
溶融塩中にArのみを吹き込んでいる場合(表1ではblankと表記)ではNO及びNO2の生成は確認されなかった。溶融塩中へのO2吹き込み開始後すぐにNOの生成が確認されており、約1000秒経過後以降は、検知管の測定可能な濃度上限以上のNO及びNO2が確認された。この結果から、反応AによるNOn生成が確認されたので、既に公知である溶融塩中での窒素ガス陰極還元反応や陽極での酸素ガス発生反応と合わせ、方法Aによる電気化学的なNOn生成が確認できた。 When only Ar was blown into the molten salt (indicated as blank in Table 1), the production of NO and NO 2 was not confirmed. Generation of NO was confirmed immediately after the start of injecting O 2 into the molten salt, and NO and NO 2 exceeding the measurable upper limit of the concentration of the detector tube were confirmed after about 1000 seconds. From this result, it was confirmed that NO n was generated by the reaction A, and therefore, combined with the known nitrogen gas cathode reduction reaction in the molten salt and the oxygen gas generation reaction at the anode, the electrochemical NO n by the method A was used. Generation was confirmed.
(実施例2)
この発明の方法Bにおけるステップ(b3)では、陰極において酸素が還元されて酸化物イオンが生成するが、この反応についてもこれまで発明者らが行ってきた溶融塩中での酸素ガスの電極挙動に関する研究成果により明らかとなっている。
(Example 2)
In step (b3) of the method B of the present invention, oxygen is reduced at the cathode to generate oxide ions. This reaction is also performed by the inventors of the oxygen gas in the molten salt. The results of research on
従って、この発明の方法Bによって窒素酸化物が生成されることは、ステップ(b2)および(b4)において陽極反応により酸化物イオンと窒素とから窒素酸化物を生成するNOn生成反応Bを示すことにより、確認することができる。 Therefore, the generation of nitrogen oxides by the method B of the present invention indicates the NO n generation reaction B in which nitrogen oxides are generated from oxide ions and nitrogen by the anodic reaction in steps (b2) and (b4). This can be confirmed.
方法BにおけるNOn生成反応Bを確認するための実施例として、次のような検討を行った。共融組成のLiCl−KClをAr雰囲気下の高純度アルミナ製坩堝内で450℃に保持し、O2−源として0.2mol%のLi2Oを添加したものを溶融塩として用いた。陽極には角棒状のニッケルフェライト(Ni0.75Fe2.25O4)を用い、これを石英製円筒内部に配置してセル内雰囲気と隔離しつつ溶融塩中に浸漬させ、この管内にN2ガスを100cc・min−1で供給した。陰極にはAl板を用い、電解時、Li+の陰極還元反応により生成するLiをAl−Li合金とすることで陰極内に保持させた。参照極にはAg+/Ag電極を用い、同電極電位はNi線電極上に析出させた金属Liの開回路電位(Li+/Li電位、以下同電位基準で表記する)で較正した。前記円筒内陽極へのN2供給を開始した後、陽極電位3.4Vで定電位電解を行った。電解時に陽極から発生したガスは、前記円筒内から外部へと取り出して回収し、実施例1と同じく、NO及びNO2については北川式ガス検知管により生成ガスの評価を行った。電解開始後すぐにサンプリングした場合ではNOnの生成は確認できなかったが、およそ2,000秒経過後にサンプリングを行ったところ、約5ppmのNOの生成が確認された。この結果から、反応BによるNOn生成が確認されたので、既に公知である溶融塩中での酸素ガス陰極還元反応と合わせ、方法Bによる電気化学的なNOn生成が確認できた。 As an example for confirming the NO n generation reaction B in the method B, the following examination was performed. The eutectic composition LiCl—KCl was held at 450 ° C. in a high-purity alumina crucible under an Ar atmosphere, and 0.2 mol% Li 2 O added as an O 2− source was used as the molten salt. Square anode nickel ferrite (Ni 0.75 Fe 2.25 O 4 ) is used for the anode, which is placed inside a quartz cylinder and immersed in the molten salt while being isolated from the atmosphere inside the cell. N 2 gas was supplied at 100 cc · min −1 . An Al plate was used as the cathode, and Li generated by the cathode reduction reaction of Li + during the electrolysis was held in the cathode by using an Al—Li alloy. An Ag + / Ag electrode was used as a reference electrode, and the electrode potential was calibrated with an open circuit potential of metal Li deposited on a Ni wire electrode (Li + / Li potential, hereinafter referred to as the same potential reference). After starting the supply of N 2 to the anode in the cylinder, constant potential electrolysis was performed at an anode potential of 3.4V. The gas generated from the anode during electrolysis was taken out from the inside of the cylinder and collected, and as in Example 1, the generated gas was evaluated for the NO and NO 2 using the Kitagawa gas detector tube. Although the generation of NO n If you immediately sampled after the start of electrolysis could not be confirmed, where sampling was carried out after the lapse of about 2,000 seconds, the formation of NO of about 5ppm has been confirmed. From this result, it was confirmed that NO n was produced by reaction B, so that electrochemical NO n production by method B could be confirmed together with the oxygen gas cathode reduction reaction in the already known molten salt.
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変形を含むものである。 The embodiment disclosed above should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
11,21,31:陽極、12,22,32:陰極、13,23,33:電解質。 11, 21, 31: anode, 12, 22, 32: cathode, 13, 23, 33: electrolyte.
Claims (6)
前記陰極に窒素ガスを供給するステップ(a2)と、
前記電解質中に酸素ガスを供給するステップ(a3)と、
前記陽極と前記陰極との間に、前記陰極において窒素が還元されて窒化物イオンが生成し、前記陽極において酸化物イオンが酸化されて酸素が発生する電圧を印加するステップ(a4)と、
前記ステップ(a4)で生成される窒化物イオンと前記ステップ(a3)で供給される酸素とを接触させるステップ(a5)とを含み、
前記陰極は、前記陰極に供給された前記窒素ガスを前記電解質にまで供給することが可能であるように構成されている、電解窒素固定法。 Providing an anode, a cathode, and an electrolyte comprising a molten salt in contact with the anode and the cathode (a1);
Supplying nitrogen gas to the cathode (a2);
Supplying oxygen gas into the electrolyte (a3);
Applying a voltage between the anode and the cathode to generate nitrogen ions by reducing nitrogen at the cathode and oxidizing the oxide ions at the anode to generate oxygen (a4);
Contacting (a5) the nitride ions produced in step (a4) with the oxygen supplied in step (a3),
The electrolytic nitrogen fixation method, wherein the cathode is configured to be able to supply the nitrogen gas supplied to the cathode to the electrolyte.
前記陽極に窒素ガスを接触させるステップ(b2)と、
前記陰極に酸素ガスを接触させるステップ(b3)と、
前記陽極と前記陰極との間に、前記陰極において前記酸素ガスが還元されて酸化物イオンが生成し、前記陽極において酸化物イオンが酸化されて窒素酸化物が生成する電圧を印加するステップ(b4)とを含み、
前記電解質は、前記陰極において前記酸素ガスを還元させることによって生成された酸化物イオンが陽極にまで移動できるように構成されており、
前記陽極は、前記陽極に接触した前記窒素ガスを前記電解質との界面にまで供給することが可能であるように構成されており、
前記陰極は、前記陰極に接触した前記酸素ガスを前記電解質との界面にまで供給することが可能であるように構成されている、電解窒素固定法。 Providing an anode, a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode (b1);
Contacting the anode with nitrogen gas (b2);
Contacting the cathode with oxygen gas (b3);
A step of applying a voltage between the anode and the cathode to reduce the oxygen gas at the cathode to generate oxide ions and to oxidize the oxide ions at the anode to generate nitrogen oxides (b4). ) And
The electrolyte is configured such that oxide ions generated by reducing the oxygen gas at the cathode can move to the anode,
The anode is configured to be able to supply the nitrogen gas in contact with the anode to the interface with the electrolyte,
The electrolytic nitrogen fixation method, wherein the cathode is configured to be able to supply the oxygen gas in contact with the cathode to the interface with the electrolyte.
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