酸化銅系触媒による燃料アンモニア燃焼反応
Fuel Ammonia Combustion using Copper Oxides-based Catalysts
世界のエネルギー利用に変革が起きている。アンモニア（NH3）は水素（H2）エネルギーキャリアかつ，二酸化炭素（CO2）を排出しないカーボンフリーな石油代替燃料として導入が進められている1, 2）。しかし，燃料NH3の問題点として，難燃性であり燃焼速度が遅い。加えて，熱力学的にはN2生成が有利であるが，速度的には窒素酸化物（N2O/NOx）生成が有利であるため，有害ガスの排出を引き起こす。燃料NH3の汎用性を高めるためには，燃焼生成物が窒素（N2）と水（H2O）のみであることならびに燃焼開始温度の低下が求められる。
筆者らは，燃料NH3の問題の解決に寄与するNH3燃焼触媒の研究開発に取り組み3），酸化銅（CuOx）を担体に担持した触媒が，高活性・高N2選択性・高耐熱性を示すことを報告した。NH3触媒燃焼の初期の反応はCuOxの格子酸素とNH3の反応で進行するMars-van Krevelen（MvK）機構であること明らかにした。速度的に副生が回避できなかったNOxについては，NH3-NOx反応に活性なCu2＋が有効に働き，CuOxの還元性に関わるMvK機構との二律背反が見受けられた。
一方，N2Oの副生については，触媒上にNH3の解離吸着種（NH, imide）が生成の要因であると推察され，in-situ FT-IRによる吸着種の同定により裏付けされた。NH3燃焼反応雰囲気下の触媒の局所構造をCu K-edge operando XAFSにより，CuOx系触媒の強固な構造ならびに耐久性も確認し，現在も開発を進めている。
今後もNH3に関連する研究開発を進め，環境・エネルギー問題解決に貢献したい。
1） J. Guo, P. Chen, Chem 2017, 3, 709.
2） A. Valera-Medina et al., Energy Fuels 2021, 35, 6964.
3） S. Hinokuma et al., Chem. Lett. 2021, 50, 752.
日隈聡士 産業技術総合研究所