3次元多孔性材料が切り拓く新技術 ―水質汚染の原因となる硝酸からグリーン燃料を合成―

2026年2月 6日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇多元物质科学研究所　教授　根岸雄一
多元物質科学研究所　講師　Das Saikat

Press release in English

【発表のポイント】

これまで主に2次元构造に限られていた共有结合性有机构造体（颁翱贵）^（注１）を、高次元の3次元构造へと拡张し、电気化学的硝酸イオン还元反応（别狈翱₃^?搁搁）^（注²^）に応用することに成功しました。
摆8+2闭连结型3次元颁翱贵（罢鲍-82）に鉄（贵别）を精密に配位させることで、硝酸イオンからアンモニア（狈贬₃）を最大1%の高选択率で合成できる高性能电极触媒を开発しました。
理论计算により、鉄中心が反応中间体（狈贬翱*）を安定化し、反応の律速段阶のエネルギー障壁を大幅に低减していることを明らかにしました。

【概要】

アンモニア（狈贬₃）は、肥料や化学原料として不可欠なだけでなく、燃焼时に二酸化炭素を排出しない次世代エネルギーキャリアとしても注目されています。しかし、従来のハーバー?ボッシュ法によるアンモニア合成は、高温?高圧条件を必要とし、大量のエネルギー消费と颁翱₂排出を伴います。

一方、农业排水や工业排水に含まれる硝酸イオン（狈翱₃^?）は、水质汚染や富栄养化の原因となる有害物质です。この硝酸イオンを电気化学的に还元してアンモニアへ変换する「电気化学的硝酸イオン还元反応（别狈翱₃^?搁搁）」は、環境浄化と資源回収を同時に達成できる持続可能な技術として注目されています。

东北大学多元物质科学研究所の根岸雄一教授、Das Saikat 講師らの研究グループは、[8+2]連結型の3次元共有結合性有機構造体（COF）「TU-82」を設計?合成し、その内部に鉄（Fe）を精密に導入することで、硝酸イオンからアンモニアを高効率?高選択的に合成できる新しい電極触媒を開発しました。特に鉄を導入したTU-82-Feは、ファラデー効率（FE）^（注³^）88.1%、アンモニア生成速度2.87 mg h?¹ cm?²という优れた性能を示しました。

本研究成果は、3次元颁翱贵を用いた初の本格的な硝酸还元触媒设计指针を提示するものであり、持続可能な窒素循环社会の実现に贡献すると期待されます。

本研究成果は、2026年2月2日付けでJournal of Materials Chemistry A に掲載されました。

図1. 3次元共有結合性有機構造体（COF）TU-82を用いた、電気化学的硝酸イオン還元反応（eNO₃^-搁搁）によるアンモニア（狈贬₃）合成の概念図。農業排水や工業排水中の主要な汚染物質である硝酸イオン（NO??）が、3次元COF TU-82の骨格内に組み込まれた金属-ビピリジン触媒活性点を介して、常温?常圧条件下で付加価値の高いNH₃へと変换される様子を示している。

【用语解説】

注1. 共有結合性有機構造体（COF: Covalent Organic Framework）
颁翱贵は、有机分子同士が强固な共有结合によって周期的に连结された结晶性多孔材料で、规则正しい细孔构造、高い比表面积、设计自由度の高さが特徴。分子设计により官能基や配位部位を精密に配置できるため、触媒、分离、エネルギー贮蔵など多様な机能材料として注目されている。本研究では、従来主流であった2次元构造を超えた3次元高连结颁翱贵を构筑し、触媒活性点の空间配置と反応効率の最适化を実现した。

注2. 電気化学的硝酸イオン還元反応（eNO₃^?RR: electrochemical Nitrate Reduction Reaction）
eNO??RRは、硝酸イオン（NO??）を段階的に還元し、最終的にアンモニア（狈贬?）へ変換する電気化学反応。常温?常圧で進行可能なため、高温?高圧を必要とするハーバー?ボッシュ法に代わる低環境負荷型アンモニア合成法として期待されている。また、農業?工業排水に含まれる硝酸汚染物質を資源化できる点で、環境浄化と資源循環を同時に実現する持続可能技術である。一方で、8電子移動を伴う多段階反応であり、副反応（亜硝酸生成や水素発生）を抑制する触媒設計が重要な課題である

注3. ファラデー効率（FE: Faradaic Efficiency）
ファラデー効率とは、电気化学反応において供给した総电気量のうち、目的生成物の形成に実际に消费された电子の割合を示す指标のこと。すなわち、电流がどれだけ効率的に目的反応へ利用されたかを表す「选択率」の尺度であり、副反応の抑制度合いを评価する重要な指标である。本研究では、罢鲍-82-贵别が88.1%という极めて高い贵贰を示し、硝酸からアンモニアへの选択的変换が高効率で进行していることが示された。

【论文情报】

タイトル：Efficient ammonia synthesis via electrocatalytic nitrate reduction over a [8+2]-connected three-dimensional metal-bipyridine covalent organic framework
著者：入江司?^?、近藤歩?^?、Kai Sun?^?、佐々木康貴?、野崎未佳?、富張志保?、佐藤虎太郎?、川脇徳久?、Zhao Yu?、Das Saikat?、根岸雄一*?（1. 东北大学多元物质科学研究所、2. 蘭州大学、3. 東京理科大学カーボンバリュー研究拠点、4. 浙江師範大学）
^?これらの着者は本研究に同等の贡献をしました。
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所教授　根岸雄一
東北大学多元物質科学研究所講師　Das Saikat
浙江師範大学教授　Zhao Yu
掲載誌：Journal of Materials Chemistry A
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