New Energies, new possibilities

触媒のように使える還元剤を新開発

出光興産、東京大学、大阪大学、産業技術総合研究所は2024年7月4日、常温常圧環境下でアンモニア（NH3）を空気中の窒素（N2）と水（H2O）と電力から連続的に合成する技術で、競合のアンモニア生成速度を20倍上回る世界最高性能を達成したと発表した（図1）。今後、2028年度までにシステムの規模を拡大すると同時に生産効率をさらに高める研究開発を進め、その後は社会実装に向けた開発をして、2032年度に1000トン/年規模のアンモニア生産を目指すとしている。

図1　競合に対して約20倍のアンモニア生成速度を実現

報告例1は2020年、報告例2は2023年でいずれも中国科学院の研究者の論文（出所：出光興産）

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　アンモニアは100年余り前にドイツで水素（H2）と空気（実際には窒素ガス）から合成する技術「ハーバー・ボッシュ（HB）法」が開発されたことで、低コストで量産できるようになった。それを肥料に用いることで食料の生産量が飛躍的に高まり、世界の人口の急速な増加につながった。ただし、HB法には、

（1）高温高圧を必要とし、結果として装置が超大型になる

（2）水素は別途、生産または調達する必要がある

（3）（2）の水素を生産する過程で、少なくともこれまでは大量の二酸化炭素（CO2）を排出していた

といった課題があった。

　こうした背景から、出光興産などは新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）のグリーンイノベーション基金事業の委託業務として、常温常圧でしかも、水素の生産や調達を必要としないアンモニア合成法の開発を進めている。

出光などが「世界最高性能」、常温常圧で水素不要のアンモニア合成 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

240704.pdf (idemitsu.com)

燃料アンモニアサプライチェーンの構築 | NEDO グリーンイノベーション基金

空気電池向け材料の転用が奏功

　もはや“枯れた技術”で改善の余地が小さいと考えられてきたアルカリ水電解（AWE）技術でブレークスルーがあった。プロトン交換膜（PEM）形と呼ばれる方式を大きく超える水電解効率を実現する可能性がある。つまりは、安いグリーン水素の生産につながる。また、次世代水電解技術ともいわれるアニオン交換膜（AEM）形水電解にも応用できるという。

自動車会社の技術者も驚く

　これを実現したのは、同志社大学大学院理工学研究科教授である盛満正嗣氏の研究室。2024年7月にパシフィコ横浜で新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が開催した「NEDO水素・燃料電池成果報告会2024」で初めて発表した。「日本の主要な自動車会社の人もこの成果に驚いていた」（盛満氏）。

　成果とは、水電解の酸素発生（OER）極（アノード）に用いる触媒材料で、ビスマス（Bi）、ルテニウム（Ru）を主成分とする酸化物「BRO」をベースとした新触媒を開発したことだ。これまで、AWEではニッケル（Ni）もしくはNiと鉄（Fe）の化合物がアノードの触媒として主に使われていた。

　NiやFe系の触媒は、PEM形で用いる酸化イリジウム（IrO2）といったアノードの触媒に比べて安価である一方で、過電圧†が大きく、しかも電流密度を高めようとするとさらに過電圧が急激に上がってしまう課題があった。

　盛満氏の研究室は、2021年ごろからこのAWE向けアノードに用いる触媒の開発に取り組んでおり、これまでは、ナトリウム（Na）添加のBRO（NBRO）やマンガン（Mn）添加のBRO（MBRO）を開発してきた（図1）。いずれも、「パイロクロア構造」という、A2B2O7（A及びBは金属元素）という結晶構造を基本とする酸化物材料に属する。

図1　同志社大学が過去に開発したNBROの構造

黄色い球がNa、赤い球がO、青い球がRu、緑色の球がBi（出所：同志社大学／NEDO）

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　今回の新触媒は「これまで空気電池向けに開発したものをAWEに転用してみた」（盛満氏）成果だという。これも、パイロクロア構造のBROの一種だが、添加材料は現時点では明らかにしていない。

アルカリ水電解でPEM超えか、同志社大が新触媒を開発 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)