電気化学的方法によりアンモニアを純粋な水素に変換します


保管や輸送が容易な液体として、アンモニア (NH3）は水素の魅力的なキャリアであり、燃料電池、半導体製造、化学処理、その他の用途に使用されます。しかし、アンモニアを水素と窒素に分解するには通常高温が必要であり、水素を多くの用途に使用するには、得られたガス混合物をさらに精製する必要があります。

MITの研究者らは現在、高純度の流れ中の水素を分離して濃縮しながら、アンモニアからの水素の放出を促進する電気化学的アプローチを開発した。電気を使用して抽出を高速化する彼らの戦略は、アンモニアや他の水素キャリアから水素を回収するために必要な温度とエネルギーを削減します。

新しい研究で、研究者らは、彼らのアプローチが純粋で高濃度の水素の流れを生成できることを示しました。

「我々は、電気化学を利用して、熱力学的に反応速度論的に困難な脱水素反応を促進できることを示しました」と、ドナー科学教授兼化学・化学工学教授のヨゲシュ・スレンドラナート氏は述べています。 「この場合、水素経済にとって水素キャリアとして重要であるため、アンモニアと液体有機分子の変換を研究しました。しかし、ここで学んだ概念は原理的にはさらに応用できる可能性があり、私たちはそれを他の重要な脱水素反応に応用するために積極的に取り組んでいます。」

Surendranath はこの研究の責任著者であり、この研究は今日 Nature に掲載されます。 MIT の博士研究員で、現在は中国の深センにあるハルビン工業大学で材料科学および工学の教授を務める Rui Zeng 氏が、この論文の筆頭著者です。

水素抽出

水素は半導体製造や化学処理で広く使用されており、水素と酸素を使用して燃焼せずに発電する燃料電池のエネルギーキャリアとしても使用されます。ただし、その使用を拡大するには、それを保存および配布するための実用的な方法が必要です。

水素ガス自体は、圧縮または液化せずに効率的に輸送することが困難です。別の方法は、液体または容易に液化できる化合物に水素を化学的に貯蔵し、必要なときに必要な場所で放出することです。

アンモニアはすでに生成され長距離輸送されているため、有望な水素キャリアですが、アンモニアから水素を回収することは依然として課題です。 「クラッキング」として知られるこのプロセスでは、高い反応率と変換率を達成するために摂氏 500 度を超える温度が必要です。次に、水素を未反応の窒素およびアンモニアから分離する必要があります。

「私たちは、電気入力を使用して、電気入力を使用して、そうでなければ好ましくない脱水素化反応を駆動することができるかどうかを尋ねたかったのです。同時に、水素キャリアから水素を分離する方法でそれを実行できるので、水素が非常に純粋になり、燃料電池や高純度水素の流れを必要とする他の用途で直接使用できるようになります」とスレンドラナート氏は言います。

研究者らの新しい設計の重要な要素は、溶融水酸化物電解質を介したパラジウムベースの分離膜と水素発生電極の結合です。分離膜は、反応混合物の他の成分の通過を防ぎながら、水素を選択的に輸送します。

新しい装置を使用すると、アンモニアはまずルテニウムとセシウムを含む触媒によって脱水素化されます。その後、水素は分離膜に到達し、その反対側は溶融水酸化物電解質と接触します。

この膜を横切る電気化学的勾配は、水素の「真空」を効果的に作り出し、膜を横切る水素の輸送に強力な推進力を提供します。また、水素を陽子と電子に変換し、それぞれ溶融電解質と外部回路を別々に移動した後、第 2 の電極で再結合して水素ガスを形成します。

膜は水素を選択的に輸送するため、システムは別個の下流精製プロセスを必要とせずに、濃縮された水素ガス流を生成します。

「この電気化学プロセスを使用すると、低濃度から高濃度への水素の積極的なポンピングを行うことができます」とスレンドラナート氏は言います。

水素の連続抽出も、特に水素の存在によって反応が阻害される場合に、脱水素反応の促進に役立ちます。したがって、この戦略は生成物を分離するだけではなく、反応環境を変化させ、より温和な条件下での水素の回収を可能にします。

したがって、このプロセスは、従来のアンモニア分解に必要な温度よりもはるかに低い、摂氏 200 度または 300 度程度の温度で実行できます。もう 1 つの利点は、追加のエネルギーを必要とする後で精製する必要のない純粋な水素の流れを生成することです。

ブリティッシュコロンビア大学の化学および化学生物工学の教授であるカーティス・ベルリンゲット氏は、この方法はアンモニアや他の水素キャリアから純粋な水素の流れを得る問題を解決する「強力な新しい方法」であると述べた。

「電気を使用して水素が放出されるときに膜を通過させることにより、精製された水素の流れを生成しながら、アンモニアと液体有機水素キャリアの脱水素化が促進されます。安定した化学キャリアで水素を輸送し、必要なときに必要な場所に放出する信頼できる方法が開かれるため、これはエネルギー科学にとって重要な進歩です」とベルリンの研究に関与していない関係者は語る。

輸送の強化

この研究で研究者らは、このアプローチがアンモニアだけでなくメチルシクロヘキサンの脱水素化にも使用できることを示しました。この分子は、液体有機水素キャリア (LOHC) として知られるクラスの一部であり、エネルギーキャリアとしての可能性もあります。

研究者らは、彼らの新しい戦略が、自動車、バス、船舶への電力供給などの輸送用途や、半導体や電子機器の製造に役立つ可能性があると予測しています。純水素ガスは半導体製造のさまざまな段階で使用され、製造歩留まりの向上と表面欠陥の削減に重要な役割を果たします。

パラジウムは高価な金属であるため、研究者は現在、分離膜に必要なパラジウムの量を減らす方法に取り組んでいます。彼らはまた、このプロセスをスケールアップし、産業上の有用性が期待できる他の脱水素反応への応用にも取り組んでいる。

この研究は米国国立科学財団から資金提供を受けました。



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