貴金属不要の次世代N2O浄化電極触媒を開発、世界トップクラスの活性を達成

2026-05-28 03:39

北海道大学、工学院大学、高輝度光科学研究センター、九州シンクロトロン光研究センター、近畿大学の研究グループが、CO2の約300倍の温室効果を持つ亜酸化窒素（N2O）を無害化する、貴金属を用いない安価な電極材料の開発に成功しました。

概要

北海道大学大学院地球環境科学研究院の加藤優准教授らの共同研究グループは、高価な貴金属を用いない鉄、コバルト、ニッケルを用いた亜酸化窒素（N2O）を無害化する電極材料の開発に成功しました。N2OはCO2の約300倍の温室効果を持ち、今世紀最大のオゾン層破壊物質でもあります。電気分解によるN2O浄化法は、室温・常圧の温和な条件下で反応が進行しますが、一般的にプラチナやパラジウムなどの高価な貴金属が電極材料として用いられてきました。本研究では、比表面積が広い炭素粉末に固定化された金属錯体を電極触媒として開発し、その電気化学N2O浄化活性を評価しました。硫黄原子を含むジチオレン配位子と鉄、コバルト、ニッケルイオンを組み合わせた金属錯体を用いた結果、コバルト錯体が特に高い活性を示し、貴金属を用いない分子系電極触媒の中で世界トップクラスのターンオーバー頻度（860h-1）を達成しました。この成果は、N2O浄化に伴う温室効果ガスの排出抑制や地球環境保全に貢献することが期待されます。

概要：貴金属を用いない鉄、コバルト、ニッケルを用いたN2O無害化電極材料の開発に成功

N2Oの温室効果：CO2の約300倍

N2Oのオゾン層への影響：今世紀最大のオゾン層破壊物質

開発した電極触媒：比表面積が広い炭素粉末に固定化された金属錯体（硫黄原子を含むジチオレン配位子と鉄、コバルト、ニッケルイオンの組み合わせ）

コバルト錯体のN2O浄化活性：貴金属を用いない分子系電極触媒の中で世界トップクラス（ターンオーバー頻度860h-1）

触媒活性種の特定：コバルト（I）価イオン種

論文掲載誌：Journal of the American Chemical Society

論文公表日：2026年5月3日

亜酸化窒素（N2O）の課題と電解N2O浄化法の可能性

亜酸化窒素（N2O）は、CO2の約300倍の地球温暖化係数を持つ温室効果ガスであり、かつ今世紀最大のオゾン層破壊物質です。産業革命前と比較して大気中のN2O濃度は約25%増加しており、その上昇速度も加速しています。人口増加に伴う肥料使用量の増加や、CO2排出量削減に伴うアンモニア使用量の増加により、N2Oの人為的排出量は今後さらに増加することが懸念されています。気候変動への影響や地球環境負荷を抑制するためには、N2Oを効率よく無害化する技術開発が不可欠です。従来、N2O浄化には固体触媒を用いた熱分解が主流でしたが、比較的高温（300℃以上）が必要です。一方、電気分解によるN2O浄化法（電解N2O浄化法）は、室温・常圧という温和な条件下で反応が進行し、自然エネルギーとの相性も良いことから、持続可能な次世代技術として注目されています。しかし、この方法ではN2O還元反応（N2ORR）を効率よく駆動させる電極触媒として、プラチナやパラジウムといった高価で希少な貴金属が用いられてきました。将来的な大規模応用を見据え、材料コストが抑えられ、資源的制約の少ない貴金属を用いない電極触媒の開発が求められています。

貴金属フリー電極触媒の開発と活性評価

研究グループは、貴金属を用いないN2ORR電極触媒として、触媒活性を持つ金属錯体を炭素粉末表面に固定化した電極材料を開発しました。具体的には、比較的安価な鉄、コバルト、ニッケルイオンと、酸化還元活性を示す硫黄を含むジチオレン配位子を組み合わせた金属錯体を触媒として使用し、比表面積が広い炭素粉末表面に固定化しました。環境への配慮から、有機溶媒を用いず、水溶液中、室温・常圧の温和な条件で電気化学N2ORRを実施し、触媒活性の指標であるターンオーバー頻度を決定しました。さらに、得られた電極触媒の酸化数状態や反応機構を解明するため、国内の放射光施設（SPring-8、九州シンクロトロン光研究センター、高エネルギー加速器研究所）でのX線吸収・発光分光測定や量子化学計算も実施しました。

世界最高クラスのN2O浄化活性と耐久性

調製した電極触媒の電気化学的N2ORR活性をpH13のアルカリ水溶液中で評価した結果、鉄、コバルト、ニッケル錯体の中でコバルト錯体が最も高い活性を示しました。そのターンオーバー頻度は、-0.3Vで約360h-1、-0.6Vでは約860h-1まで上昇しました。この活性は、過去に報告されているプラチナやパラジウムなどの貴金属を含まない分子系N2ORR電極触媒としては世界最高値です。また、-0.3Vでの活性持続性を調べたところ、24時間までほとんど劣化しないことが確認され、触媒耐久性も比較的高いことが分かりました。反応機構の解明のために電気化学条件下でのX線吸収分光測定を実施した結果、大気中では不安定なコバルト（I）価イオン種が触媒活性種として生成していることを突き止めました。量子化学計算の結果もこの実験結果を支持しており、コバルト（I）価イオン周りの平面性が反応活性に寄与していることが示唆されています。