JP6396990B2 - アルカリ媒体におけるアンモニアの電気化学合成 - Google Patents
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Description
37C.F.R.§1.78(a)(4)に従って、本出願は、2013年3月26日付で出願された同時係属中仮出願第61/805,366号の利益および優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書中に含まれる。
N2+3H2→2NH3 式(1)
ハーバー法は、鉄系触媒を使用し、高温(例えば約430℃(約806°F)超)および高圧(例えば約150atm(平方インチ当たり約2,200ポンド)超)で動作するため、高エネルギー消費につながる。さらに、アンモニア転換率は比較的低く、例えば約10%から約15%の間である。
N2+6H++6e−→2NH3 式(2)
に従って窒素の還元が起こり、
3H2→6H++6e− 式(3)
に従って水素の酸化が起こる。
N2+6H2O+6e−→2NH3+6OH− 式(4)
式(4)に示された窒素ガスの還元反応は、標準水素電極(SHE)に対して−0.77Vの理論電位で起こる。したがって、窒素からアンモニアへの変換を有利にするためには、水の還元反応(−0.82vs.SHE以下の電位で起こる)を最小化しつつ、−0.77Vvs.SHEよりも低い電位を印加しなければならない。
2H2O+2e−→2OH−+H2 式(5)
カソードチャンバ15から出る過剰のまたは未反応の窒素ガスは、アンモニア生成物から分離され、プロセスにおいて再循環され得る。
3H2+6OH−→6H2O+6e− 式(6)
図2は、アンモニアの生成を有利にする、様々な温度、および1atmの圧力での理論的な動作セル電圧のプロットを示す。図2に示されているように、電気化学セル10は、195℃を超える温度で、ガルバニセル(正電圧)から電解セル(負電圧)へと変化する。本発明の実施形態によると、アンモニアの生成を有利にする印加電位は、熱力学電圧(図2に示される)と同等かまたはそれより低くなければならない。したがって、実施形態によると、アンモニアを形成する電気化学方法は、アンモニアの生成のための温度依存性熱力学電圧と同等またはそれより低い電圧を維持する段階を含む。式2に示された水素発生反応のため、過電位(図2に示される熱力学電位と印加セル電圧との間の差)が高いほど、アンモニア生成のファラデー効率が低くなる。
本発明の実施形態によるアンモニアの合成を示すための電気化学セルアセンブリ100を図3に示す。図1の電気化学セル10は、2つのカラムに流体連結され得、該カラムは液体の移動によるガスの回収に使用される。このバッチ構成では、アノードカラム110は5MのKOH溶液を含み、カソードカラム120は5MのKOH/1MのNH3の溶液を含む。カラム110、120の各々は、上部チャンバ(110a,120a)と、下部チャンバ(110b,120b)と、分離プレート125、130とを備える。上部チャンバ(110a,120a)および下部チャンバ(110b,120b)は、それぞれ移動管135、140と流体連結され、該管は、その間で液体の移動を可能にする。アノードカラム110の下部チャンバ110bは、入口60および出口65と流体連結される。カソードカラム120の下部チャンバ120bは、入口50および出口55と流体連結される。カソード電極20およびアノード電極30は、Pt−Irで電気メッキされたカーボンペーパー電極から構成され得る。Pt−Irは、米国特許第7,485,211号および第7,803,264号に記載された手順に従って5mg/cm2で共析され得る。電極は、OH−イオンの移動を可能にするテフロン(登録商標)膜によって分離され得る。
アンモニアの合成の間に流れた電流(5mA)に基づいて、アンモニア生成量は1.06×10−3g/hと推定され、一方で反応の最初の14分間の水素消費に基づいて生成され得た理論量は2.98×10−2g/hであり、約3.5%のアンモニア収率を示す。
15 カソードチャンバ
20 カソード電極
25 アノードチャンバ
30 アノード電極
35 セパレータ
42 カソードリード
44 アノードリード
45 電圧源
100 電気化学アセンブリ
110 アノードカラム
120 カソードカラム
110a、120a 上部チャンバ
110b、120b 下部チャンバ
Claims (16)
- アノードと、カソードと、アルカリ電解質とを備える電気化学セルにおいて、窒素分子(N2)をアンモニア(NH3)に電解変換する方法であって、
第1圧力および第1温度で、H2の吸着および酸化に有効である第1伝導部材を備えるアノードを水素分子(H2)含有流体に曝露する段階と、
第2圧力および第2温度で、NH3を形成するためのN2の吸着および還元に有効である第2伝導部材を備えるカソードを窒素分子(N2)含有流体に曝露する段階と、
前記アノード上での水素の吸着および前記カソード上での窒素の吸着を促進するために、前記H2含有流体に曝露された前記アノードと前記N2分子含有流体に曝露された前記カソードとの間に電圧を印加する段階と、を含み、
前記電圧が同時にH2を酸化してN2を還元するのに十分であり、前記第1圧力および前記第2圧力が独立して略10気圧(atm)と同等またはそれより低く略1atmまでであり、前記第1温度および前記第2温度が略25℃より高く、略205℃未満であり、
窒素を加湿器に通過させる段階によって前記N 2 分子含有流体を提供する、方法。 - アンモニアの生成のための温度依存性熱力学電圧と同等またはそれより低い電圧を維持する段階をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電圧を定電圧として印加する、請求項1に記載の方法。
- 前記アノードの前記第1伝導部材が、白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、またはそれらの組み合わせから選択される金属を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アノードの前記第1伝導部材が、合金として共析されるかまたは層によって堆積される金属の組み合わせを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記カソードの前記第2伝導部材が、白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、銅、またはそれらの組み合わせから選択される金属を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記カソードの前記第2伝導部材が、合金として共析されるかまたは層によって堆積される金属の組み合わせを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記アルカリ電解質が略8またはそれより大きなpHを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記アルカリ電解質が水酸化物塩を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アルカリ電解質が、水酸化物のアルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アルカリ電解質が0.1Mから略9Mの水酸化物濃度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記アルカリ電解質が略0.1Mから略9Mの濃度の水酸化カリウムを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アルカリ電解質がポリマーゲルをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記ポリマーゲルがポリアクリル酸を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記電気化学セルがセパレータをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記セパレータがアニオン交換膜を含む、請求項15に記載の方法。
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