アンモニアへのよりクリーンなルート

James Mitchell Crow は、オーストラリアのメルボルンに拠点を置くフリーライターです。

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Jupiter Ionics の最高科学責任者である Douglas Macfarlane 氏は、緑色の肥料を生産したいと考えています。クレジット: Steve Morton/Jupiter Ionics

オーストラリア、メルボルンのジュピター アイオニクスは、2021 年にメルボルンのモナッシュ大学から独立しました。

リチウム原子が一緒に働くと、既知の中で最も強い化学結合の 1 つが切断される可能性があるのは、化学の奇妙な癖です。 リチウムは三重結合した窒素分子 (N2) を取り込み、周囲条件下ではそれを 2 つに分解します。

オーストラリアのメルボルンにあるジュピター・アイオニクス（スピンオフ賞2023のファイナリスト）は、この化学を利用してアンモニア（NH3）を製造することを目指しています。

アンモニアは、世界が作物の栽培に依存している合成肥料の製造に不可欠です。 1900 年代初頭以来、アンモニアは工業用ハーバー・ボッシュ法によって製造されてきました。 現在、世界のアンモニア生産量は年間 1 億 5,000 万トンに達しています。

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「ハーバー・ボッシュは今日世界の化学の非常に中心的な部分ですが、化石燃料に依存しています」とメルボルンのモナシュ大学の電気化学研究者でジュピター・アイオニクスの創設者兼最高科学責任者であるダグラス・マクファーレン氏は言う。 このプロセスは高圧と高温で行われ、大規模で集中型の継続運転プラントでは、再生可能エネルギーの比較的小規模で断続的な性質と組み合わせるのが難しいとマクファーレン氏は説明する。 ハーバー・ボッシュは世界の炭素排出量の推定 1.5% を占めており、その貢献は増え続けています。

マクファーレンのモナッシュ研究室は、アンモニアへの高選択性のリチウム媒介電気化学経路を開拓しました。 このプロセスでは、空気、水、再生可能電力が使用されます。 2021 年、マクファーレン氏はプロセスをスケールアップして商業化するために Jupiter Ionics を設立しました。 緑色肥料の生産が当初の目標ですが、炭素を含まない燃料としてアンモニアを生成することも視野に入れています。 ジュピターの技術は、ハーバー・ボッシュと商業的に競争できる速度でアンモニアのカーボンフリー生産を達成するという米国エネルギー省の目標に近づいている。

高温高圧ではなく、電流を使用して窒素分子を引き離してアンモニアを生成するというアイデアは 1 世紀前に遡ります。 電気化学セルの電極は、触媒を介したプロセスで N2 を分解し、その原子を水から供給されるプロトン (H+) と結合させてアンモニアを形成します。

少なくともそれが理論だ、とジュピター・アイオニクス社の最高経営責任者チャールズ・デイ氏は言う。 「人類は微量のアンモニアを生成してきましたが、商業的に意義があるためには、かなりの速度でアンモニアを生成できる必要があります」と、化学エンジニアから技術商業化幹部に転身したデイ氏は言う。 デイ氏は初代最高経営責任者に就任する前に、当初モナシュ氏から会社の事業計画の作成を依頼されていた。

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課題は、電池がプロトンのペアを結合してアンモニアの代わりに水素ガス (H2) を生成するというより単純な経路をとる副反応を抑制することにあります。 通常、電気化学プロセスでは水素が主な生成物となります。 選択性の課題として知られるこの問題は、ファラデー効率 (FE) と呼ばれる指標によって説明されます。これは、電気入力に基づいて生成されるアンモニアに対する、生成されるアンモニアの量です。 数年前まで、アンモニア選択性は FE わずか 5 ～ 20% しか報告されていませんでした。

2019年、いくつかの候補電極触媒システムを評価し、アンモニアをほとんど、またはまったく生成しなかった後、マクファーレンのモナシュチームはリチウムを試した。 「リチウムが窒素と反応することは、リチウム電池の世界ではかなりよく知られていました」とマクファーレン氏は振り返る。 「これは、リチウムを使って窒素分子を壊すことができるという、興味深いステップです。」

リチウム媒介プロセスの重要な化学反応は、電気化学セルのカソードで起こります。 ここでは、リチウムと窒素が反応して窒化リチウム (Li3N) を形成します。 この中間体は（アノードで生成された）プロトンと反応してアンモニアを放出し、リチウムを再生します（「電気化学的アンモニア電池」を参照）。

クレジット: アリスデア・マクドナルド

2021 年に、マクファーレンと彼の同僚は、カソードへのプロトンの供給を仲介するリンベースのプロトン シャトルを追加することで、FE が 69% に達したと報告しました2。 1 年後、彼らは、リチウム媒介の窒素分解ステップをより適切にサポートする電解質に切り替えることにより、ほぼ 100% の FE に達したと報告しました3。 「商業的に関連性があるためには、選択性は基本的に 100% である必要があります。これが私たちの最新の論文で最終的に報告されたものです」と Macfarlane 氏は言います。

カリフォルニア工科大学（パサデナ）でアンモニア生産に取り組んでいる電気化学者、カーティシュ・マンティラム氏は、このようなレベルのアンモニア生産は重要な前進であり、チームをこの分野の最前線に置くと述べている。同社とは無関係である。 「コミュニティが報告した結果を達成するには、さらに数年かかるだろうと思っていました」とマンティラム氏は言います。 Jupiter Ionics の結果は、今が研究を商業化し、「より機敏で結果重視の」環境で研究を推進するのに良い時期であることを示唆している、と同氏は付け加えた。

マンティラム氏によると、安定性と寿命を実証しながらテクノロジーをスケールアップすることが重要な課題となるという。 「これはリスクの高い取り組みです」と彼は言う。 「電気化学的アンモニア生成が機能するかどうかではなく、いつ機能するかが問題ですが、そのタイミングを予測するのは常に困難です。」

Jupiter Ionics は 2021 年 4 月に設立され、250 万オーストラリアドル (170 万米ドル) のシード資金を調達しました。 2022年3月、同社はオーストラリア政府からさらに265万オーストラリアドルを獲得し、企業コンソーシアムを主導してグリーンアンモニア製造技術を開発した。 この共同資金を活用して、会社は約 12 名のチームに成長したとデイ氏は言います。

現実の世界に向けてプロセスを準備するということは、小規模バッチ操作から、アンモニアを連続的に生成する拡張可能な反応器に移行することを意味します。 同社の電気化学研究者であるイリーナ・シモノバ氏は、「フロープロセスのアノード側とカソード側は個別に現在うまく機能している」と語る。 「私たちは現在、双方がうまく連携することに重点を置いています」と彼女は言います。 両方の電極は同じ電流を流す必要があります。これらは同じ電気回路の 2 つの部分です。ただし、現時点では、各電極には単位面積あたりの最適な電流 (電流密度) があります。 チームは、電流密度のスイートスポットを達成するために、各電極の面積と厚さを調整することに取り組んでいます。

同社は「シリーズA」投資を集めるために今年後半に市場に復帰する予定だとデイ氏は語った。 「スケールアップするにつれて、原子炉は大きくなり、より高価になります。次の投資ラウンドは、より販売できる製品に近いものにスケールアップし始めることです。」

ジュピター・アイオニクスには真のニーズをターゲットにした強力なテクノロジーがあり、また強固なチームとビジネスプランも持っていると、スピンオフ賞2023の審査員であり、賞を受賞したメリーランド州カレッジパークのハイTテック社最高経営責任者ボブ・ガッテ氏は語る。 「商業化への最初の経路がうまくいかなかったとしても、他の選択肢があります。」

チームは、収益を生み出す可能性のあるルートをいくつか特定しました。 「システム全体を自社で作るか、自社の技術を他の企業にライセンス供与するかの選択肢があります」とデイ氏は言う。 「私たちは、どちらが私たちにとって最も理にかなっているのかをまだ検討中です。」

また、エネルギー分野におけるグリーンアンモニアの新興市場も目前に迫っています。 再生可能資源から生成されるアンモニアは、潜在的なエネルギーキャリア、つまり再生可能エネルギーを容易に保管、輸送、さらには輸送できる化学形態に変換する方法としてますます認識されています。

「私たちが最初に肥料に焦点を当てているのは、肥料が今日の問題に対処しているからです」とデイ氏は言います。 「年間約2億トンのアンモニア市場があり、できるだけ早く脱炭素化する必要があります。しかし、私たちはエネルギーキャリアとしてのアンモニアの開発に貢献したいと考えています。」と彼は言います。

「エネルギーは主な焦点に加えて、潜在的な利点を提供します」とガッテ氏は言います。 「今度は、テクノロジーが拡張可能であることを証明する必要があります。」

土井: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01659-w

この記事は、第三者の資金援助を受けて作成された編集的に独立したサプリメントである Nature Outlook: The Spinoff award 2023 の一部です。 この内容について。

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