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アンモニアから水素を簡単に取り出す触媒プロセスを開発 ~触媒への吸着熱を利用した新しい反応の起動方法~

 大分大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2017年4月29日,大分大学工学部 永岡勝俊 准教授,佐藤勝俊 客員研究員(京都大学 触媒・電池元素戦略研究拠点 特定助教)らの研究グループが,外部から加熱することなくアンモニアと空気を供給するだけで,アンモニアから瞬時に水素を取り出すことのできる触媒プロセスを開発したと発表した.本研究はJST戦略的創造推進事業チーム型研究CREST「再生可能エネルギー輸送・貯蔵・利用に向けた革新的エネルギーキャリア利用基盤技術の創出」の一環として行われ,成果はScience Advances誌でオンライン公開された(注).

 近年,水素エネルギーを利用するための貯蔵媒体としてアンモニアが注目されている.しかし,アンモニアから水素を取り出す従来のアンモニア分解プロセスでは,触媒層加熱のため外部から熱供給の必要があり,アンモニアのエネルギーキャリアとしての利便性が損なわれていた.研究グループは,アンモニア分子の触媒への吸着熱とアンモニアと酸素の部分酸化反応の反応熱を利用することにより,触媒層を瞬時に加熱し,触媒層温度を維持しながらアンモニアを分解して水素を発生させることに成功した.

 本研究で使用された触媒は,酸化アルミニウム粉末に直径1.5nm程度の酸化ルテニウムを担持させた酸化アルミニウム担持酸化ルテニウム(RuO2/γ-Al2O3)である.この触媒を不活性ガス雰囲気下300℃で加熱処理し,表面にアンモニア吸着サイトとなる酸点を発現させたものが用いられた.触媒に室温のアンモニアガスを供給すると,アンモニアの吸着熱で触媒層の温度は短時間で上昇する.アンモニアには少量の酸素(または空気)が混合されており,触媒層の温度が上昇すると,アンモニアは酸素と反応して部分的に燃焼する.この反応熱により触媒層の高温が保たれ,アンモニア分解プロセスが進行する.アンモニア分解反応の吸収熱は45.9kJmol-1であり,本研究では,アンモニアと酸素をモル比1:0.25で部分酸化させ,75kJmol-1の発熱を得る条件が採用された.この部分酸化反応ではアンモニア1モルから,水素1モル,窒素0.5モル,水0.5モルを生成する(NH3(g)+0.25O2(g)→H2(g)+0.5N2(g)+0.5H2O(g)).触媒層の温度は,室温で反応ガスの供給を開始後20秒以内に522℃,25秒後に600℃に達し,300秒後にはおおよそ650℃で安定した.水素生成はアンモニアの供給開始から15秒程度で始まり,生成速度は初期の14Lh-1gcat-1から25秒後には33Lh-1gcat-1へと急速に立ち上がり,200秒後には43Lh-1gcat-1でほぼ一定となった.

 吸着したアンモニアが反応して離脱すると酸点は再生される.したがって,停止中も不活性ガスを流しておくことで,2回目以降の起動には吸着サイト再生の前処理は不要で,アンモニアガスの供給を再開すれば水素の発生が再開する.アンモニアと酸素の転化率はそれぞれ約95%と100%,水素の収率は約60%となり,起動・停止を5回繰り返してもこれらに変化は見られなかった.

 本研究の成果を利用すると,アンモニアからの水素製造の起動時間短縮,省エネ,小型化が実現され,燃料電池や水素エンジンなどの起動・停止を頻繁に行う装置への応用が期待されるという.

(注)K. Nagaoka, T. Eboshi, Y. Takeishi, R. Tasaki, K. Honda, K. Imamura, and K. Sato, "Carbon-free H2 production from ammonia triggered at room temperature with an acidic RuO2/γ-Al2O3 catalyst", Science Advances, Vol. 3, No. 4, e1602747, 28 Apr 2017; DOI: 10.1126/sciadv.1602747