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公開番号2025124428
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-26
出願番号2024020481
出願日2024-02-14
発明の名称還元反応用触媒、還元反応用触媒電極、および化合物合成システム
出願人株式会社豊田中央研究所
代理人弁理士法人YKI国際特許事務所
主分類C25B 11/091 20210101AFI20250819BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】高い効率で電気化学的な還元反応を促進することができる還元反応用触媒、還元反応用触媒電極、およびその還元反応用触媒電極を用いる化合物合成システムを提供する。
【解決手段】β-FeOOH構造を有し、その構造内またはその構造の周囲に、Fe以外の金属元素を含んで構成された金属元素化合物を含む、還元反応用触媒、およびその還元反応用触媒電極を用いる化合物合成システムである。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
β－ＦｅＯＯＨ構造を有し、その構造内またはその構造の周囲に、Ｆｅ以外の金属元素を含んで構成された金属元素化合物を含むことを特徴とする還元反応用触媒。
続きを表示（約 970 文字）【請求項２】
請求項１に記載の還元反応用触媒であって、
前記Ｆｅ以外の金属元素は、周期表第６～１１族に属するＦｅ以外の３ｄおよび４ｄ遷移金属から選択される少なくとも１種であり、
前記還元反応用触媒における前記Ｆｅ以外の金属元素の合計の原子数とＦｅ元素の原子数との原子数比（Ｆｅ以外の金属元素／Ｆｅ元素）が、０．００５～０．５の範囲であることを特徴とする還元反応用触媒。
【請求項３】
請求項１に記載の還元反応用触媒であって、
前記金属元素化合物が、前記Ｆｅ以外の金属元素として複数種の金属元素を含むことを特徴とする還元反応用触媒。
【請求項４】
請求項１に記載の還元反応用触媒であって、
前記金属元素化合物が、前記Ｆｅ以外の金属元素として少なくともＣｕを含むことを特徴とする還元反応用触媒。
【請求項５】
請求項１に記載の還元反応用触媒であって、
窒素酸化物イオンからアンモニアおよびアンモニウムイオンのうちの少なくとも１つを合成する還元反応用であることを特徴とする還元反応用触媒。
【請求項６】
導電性の基材と、前記基材に担持された請求項１～５のいずれか１項に記載の還元反応用触媒と、を有することを特徴とする還元反応用触媒電極。
【請求項７】
カソード側の、請求項６に記載の還元反応用触媒電極と、
アノード側の酸化反応用触媒電極と、
を備え、前記カソード側で反応基質を電気化学的に還元することによって化合物を合成することを特徴とする化合物合成システム。
【請求項８】
請求項７に記載の化合物合成システムであって、
前記アノード側の酸化反応用触媒電極は、導電性の基材と、前記基材に担持されたβ－ＦｅＯＯＨ構造を有する酸化反応用触媒と、を有する酸化反応用触媒電極であることを特徴とする化合物合成システム。
【請求項９】
請求項７に記載の化合物合成システムであって、
前記反応基質として窒素酸化物イオンを電気化学的に還元することによって、前記化合物としてアンモニアおよびアンモニウムイオンのうちの少なくとも１つを合成することを特徴とする化合物合成システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元反応用触媒、還元反応用触媒電極、およびその還元反応用触媒電極を用いる化合物合成システムに関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
アンモニアは窒素系の肥料、食品や医薬品などの原料、合成樹脂や繊維の製造などに幅広く利用され、世界全体の需要は年間１．７億トンを超えている。また、アンモニア分子は水素キャリアとなる上、液体として運搬できることから、燃料電池などのエネルギー源や炭素フリーの燃料としても大いに注目されている。
【０００３】
現在の工業的なアンモニアの合成は、空気中の窒素と水素を触媒存在下で高温高圧（例えば、４００～５００℃、１００～３００気圧）で反応させるハーバー・ボッシュ法を使用して行われており、使用する水素は主に天然ガス由来のものである。カーボンニュートラル社会の構築を鑑み、より温和な条件で二酸化炭素の放出を抑制するようなアンモニア合成法の開発は極めて重要である。
【０００４】
一方、近年、環境中への窒素の流出と蓄積が問題となっており、生態系への悪影響が懸念されている。窒素含有排水中に含まれる硝酸イオン（ＮＯ
３
－
）や亜硝酸イオン（ＮＯ
２
－
）などの窒素酸化物イオンは水質汚濁防止法で排出基準が定められている。
【０００５】
上述の問題を解決すべく、近年、電気化学的手法によって、水溶液中の硝酸イオンや亜硝酸イオンを還元反応によって、化学工業で必要不可欠な窒素源であるアンモニアへ変換する試みが検討されている。このような還元反応に用いる還元反応用触媒の成分としては、鉄のような資源量豊富な元素をベースとするのが望ましいが、導電率が低いことと、触媒サイトのＦｅが活性化されにくいことに起因して過電圧が高く、反応には高いエネルギーが必要である。また、硝酸イオンを原料とした場合、硝酸イオン（ＮＯ
３
－
）から亜硝酸イオン（ＮＯ
２
－
）を経てアンモニア（ＮＨ
３
）となるという２段階の逐次還元反応であるため、各ステップでの効率を改善する必要がある。また、酸化側の酸化反応用電極（対極）として、過電圧の低い貴金属である白金を使うことが多く、貴金属レスな対極を用いたアンモニア合成システムが望まれる。
【０００６】
特許文献１には、β－ＦｅＯＯＨ結晶相と、このβ－ＦｅＯＯＨ結晶相にドープされたＦｅ以外の金属元素とを含み、これらの粒子形状がロッド状であり、一次粒子の長軸の平均長さが１～５０ｎｍかつ長軸と短軸長さの比の平均値が３～１０である鉄化合物粒子、その製造方法、およびそれを用いた酸化触媒が記載されている。この鉄化合物粒子の用途は水の酸化反応用の触媒である。
【０００７】
特許文献２には、β－ＦｅＯＯＨ結晶相と、このβ－ＦｅＯＯＨ結晶相の周囲を覆う３価のＮｉ含有化合物とを含むＦｅ含有複合化合物粒子、その製造方法およびＦｅ含有複合化合物電極が記載されている。このＦｅ含有複合化合物粒子は、特許文献１の鉄化合物粒子をベースとした、中性領域の溶液中で優れた酸化触媒活性を示す酸化反応用の触媒である。
【０００８】
特許文献３には、硝酸イオン還元による電気化学的なアンモニアの合成方法が記載されている。特許文献３のアンモニアの合成方法では、陰極にダイアモンド電極、陽極に不溶性電極を用いた反応槽で、硝酸性窒素（ＮＯ
３
イオン）含有溶液を電気化学的に還元することによってアンモニアを合成している。
【０００９】
非特許文献１、非特許文献２には、Ｎｉを添加したβ－ＦｅＯＯＨに関して水の酸化活性が記載されている。
【００１０】
非特許文献３には、カーボン材料を基材としたＮｉＦｅ層状複水酸化物によって亜硝酸イオンからアンモニアに還元することが記載されている。しかし、このＮｉＦｅ層状複水酸化物による亜硝酸イオンからアンモニアへの還元には、高いバイアスが必要（－０．６Ｖ（ｖｓ．ＲＨＥ））であり、アンモニア生成の電流効率も低い。
（【００１１】以降は省略されています）

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