Environmental Water Treatment: 環境水浄化
硝酸性窒素は日本国内でも調査されている地下水の汚染です。しかし、中性水溶液における還元反応は進行しにくいことが知られており、無害な窒素や工業的に有用な物質への変換が望まれています
北海道のような酪農や農業が盛んな地域では、家畜排泄物や農地における過剰施肥などに由来する硝酸イオンや亜硝酸イオンなどが土壌および地下水に浸透しやすいため、他の地域に比べて地下水の硝酸性窒素汚染が深刻化しやすい傾向にあります。硝酸性窒素によって汚染された地下水はBlue baby syndromeや糖尿病といった健康被害や、一酸化窒素や一酸化二窒素といった生物代謝ガスによる地球温暖化やオゾン層破壊などの環境破壊を引き起こす可能性があります。このような負の連鎖を防ぐために、畜産排水や地下水、工業廃水を適切に処理して硝酸性窒素を除去することが喫緊の課題となっています。前身である嶋津研究室では、PtやPd電極触媒にスズを導入することにより非常に高い硝酸還元活性を確立し、特にSnO2/Pt電極で硝酸イオンから窒素への選択的な触媒反応を見出しました。八木研究室ではその活性を極限まで引き出すため、合金単結晶電極を用いた原子・分子レベルでの構造制御に基づく研究や実用に資するナノ粒子を用いた電極触媒設計へと展開しつつあります。
ただし、現状ではこの電極触媒反応は酸性水溶液中でしか進行しないため、工業排水中の硝酸還元には利用できるものの、地下水など中性水溶液には応用できません。自然界には硝酸から窒素へと多段階で還元する酵素群が存在しており、中性溶液中でも活性な電極触媒を実現する上で、その反応中心の構造は参考になります。酸素還元反応と同様、硝酸還元でも自然に学ぶ触媒設計に取り組み始めています。
Yang Deng, Masaru Kato*, Jinhang Zheng, Chuanping Feng, and Ichizo Yagi*, The pH dependence of the electrocatalytic nitrate reduction by tin-modified palladium(100) electrodes: Effects of structures of tin species and protonation of nitrite, Electrochim. Acta 470, 143301 (2023). [DOI: 10.1016/j.electacta.2023.143301]
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Masaru Kato*, Yuki Unuma, Manabu Okui, Yunteng Qu, Jinhang Zheng, Satoshi Taguchi, Fumiya Kiguchi, Mashu Torihata, Yunzhi Gao, Nagahiro Hoshi, Ichizo Yagi*, Electrocatalytic activity and volatile product selectivity for nitrate reduction at tin-modified Pt(100), Pd(100) and Pd–Pt(100) single crystal electrodes in acidic media, Electrochim. Acta 398, 139281 (2021). [DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139281]
Masaru Kato, Ai Araki, Yuki Hara, Satoshi Taguchi and Ichizo Yagi*, Cathodic Arc-plasma Deposition of Platinum Nanoparticles on Fluorine-doped Tin Oxide for Electrocatalytic Nitrate Reduction Reaction, Electrochemistry, 86 (5), 220-222 (2018).[DOI: 10.5796/electrochemistry.18-00031]
Masaru Kato,* Manabu Okui, Satoshi Taguchi and Ichizo Yagi,* Electrocatalytic nitrate reduction on well-defined surfaces of tin-modified platinum, palladium and platinum-palladium single crystalline electrodes in acidic and neutral media, J. Electroanal. Chem. 800, 46-53 (2017). [DOI: 10.1016/j.jelechem.2017.01.020]
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