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

－排水中の「硝酸」を浄化し、次世代資源「アンモニア」を常温・常圧で効率回収－

化学
2026.07.27

研究のポイント

高知工科大学のユアン チュンユさん（大学院博士後期課程３年）、伊藤 亮孝教授（理工学群）、藤田 武志教授（理工学群）と、名古屋大学の大戸 達彦准教授（大学院工学研究科）らの研究グループは、銅とコバルトからなる自己適応型触媒^*1を設計し（図１-（a））、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に変換する硝酸電解還元反応^*2において、きわめて効率的かつ安定的なアンモニア合成に成功しました。
電極触媒は一般に、反応中における構造の劣化や変化が課題とされていましたが、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、本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ました。
今回開発した技術は、農業排水や工業排水に含まれる有害な硝酸を除去し、脱炭素社会の鍵を握る資源であるグリーンアンモニア^*3を回収できる「一石二鳥」のクリーン技術として、応用が期待されます。
本研究成果は、2026年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に掲載されました。
 
・反応中、自ら最も活性が高い構造（水酸基を多く含む酸化Cu活性種）へと進化する「自己適応型」新触媒を開発
・高効率アンモニア合成を実現させる「銅」と「コバルト」の連携メカニズム（水素スピルオーバー^*4）を解明
・「水質浄化」（硝酸除去）と「資源回収」（アンモニア合成）を常温・常圧で同時に達成
・常温・常圧で触媒を製造できるため大量生産が容易であり、二酸化炭素還元や水電解など、他分野への応用も期待
 
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用語解説

*１）自己適応型触媒（Adaptive catalyst）
反応条件に応じて、自ら表面構造や化学状態を変化させ、最も活性の高い状態へ変化する触媒。本研究では、銅表面が水酸基を含む酸化状態へ動的に再構築されることで、硝酸からアンモニアへの変換性能が大きく向上することを明らかにした。
 
*２）硝酸電解還元反応（NO₃RR: Nitrate Reduction Reaction）
電気エネルギーを利用して硝酸イオン（NO₃⁻）をアンモニアなどへ還元する反応。常温・常圧で反応が進行し、水質汚染物質である硝酸の除去と、有用なアンモニアの製造を同時に実現できることから、環境浄化とグリーンアンモニア製造を両立する次世代技術として注目されている。
 
*３）グリーンアンモニア
再生可能エネルギー由来の電力を利用して製造される、CO₂排出量の少ないアンモニア。次世代エネルギー媒体として期待されている。
 
*４）スピルオーバー
隣接する別の材料表面へ移動する現象。本研究ではコバルト酸化物で生成した活性水素が銅活性点へ供給され、アンモニア生成を促進している。
 

論文情報

タイトル：Adaptive Cu Reconstruction in Heterostructure Drives High-Rate Nitrate-to-Ammonia Conversion
著者：Chunyu Yuan, Saikat Bolar, Yongzheng Zhang, Akitaka Ito, Tatsuhiko Ohto and Takeshi Fujita
掲載誌：Advanced Science
公開日：2026年7月13日
DOI：10.1002/advs.76573
URL：https://doi.org/10.1002/advs.76573
 

研究代表者

大学院工学研究科 大戸 達彦 准教授
https://sites.google.com/view/cmsm-kimizlab