高知工科大学の伊藤亮孝教授らの研究グループはこのほど、水質汚染物質をクリーンエネルギーに変える“一石二鳥”の「自己適応型」新触媒を開発した。

排水中の有害な「硝酸」を浄化し、次世代資源である有用な「アンモニア」の常温・常圧での効率回収を成功させたもので、排水処理と資源回収を同時に実現する、新たな環境技術となる可能性がある。

環境負荷低減と資源循環の両立を実現し、将来的には下水処理施設や工場排水処理設備において、硝酸除去とアンモニア回収を同時に行う循環型プロセスへの応用が期待される。

同研究では、銅とコバルトからなる自己適応型触媒を設計し、水質汚染物質である硝酸イオンを電気化学的にアンモニアへ変換する硝酸電解還元反応において、きわめて効率的かつ安定的なアンモニア合成を成功させた。

電極触媒は、一般的に反応中における構造の劣化や変化が課題とされていたが、同研究グループは高度な測定技術と理論計算を組み合わせることで、電極触媒が自ら活性の高い状態へと進化する「自己適応型再構築」を起こす詳細な過程を世界で初めて解明した。

他方、アンモニアは肥料の原料であるとともに、脱炭素社会を支える水素キャリアとしても注目されるものの、現在の工業的製造法である「ハーバー・ボッシュ法」は高温・高圧条件を必要とし、多量のエネルギー消費と二酸化炭素排出を伴うことが課題とされている。

これに対し、近年は常温・常圧で、再生可能エネルギーを利用してアンモニアを合成する硝酸電解還元反応（NO₃RR）が世界的な注目を集めている。さらにこの反応は、地下水や河川の水質汚染物質である硝酸を原料として利用できるため、「環境の浄化（硝酸除去）」と「資源の創出（アンモニア合成）」を同時に達成できる技術として期待されている。

しかし、硝酸からアンモニアへの変換には、多段階での複雑な電子と水素の受け渡しが必要なため、「反応速度」と「選択性」を同時に高めた効率的な触媒の開発が課題となっていた。

今回開発した新触媒は、常温・常圧で簡便に合成できることから、大面積電極や大量生産への展開が容易であり、実用化に向けた優れた製造性も備えている。

さらに、反応中に触媒自らが最適な活性状態へと変化する「自己適応型再構築」という新しい設計概念は、硝酸還元反応だけでなく、二酸化炭素還元、水電解、水素製造など幅広い電気化学反応への応用も期待される。

なお、今回の研究成果は7月13日、材料科学や物理学、医学など分野横断的な研究を扱う国際学術誌「Advanced Science」に掲載された。