JP2014167151A - Electrochemical reduction device using diamond electrode - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical reduction device provided with stable electrodes capable of easily and efficiently reducing carbon dioxide.SOLUTION: In an electrochemical reduction device for carbon dioxide, an anode electrode and a diamond cathode electrode doped with boron are installed in a stainless steel pressure-resistant cell so as that they contact with an electrolyte containing carbon dioxide.

Description

本発明は、ダイヤモンド電極を用いる電気化学的還元装置、より具体的には、二酸化炭素の電気化学的に還元するためのダイヤモンド電極を備えた電気化学的還元装置に関する。
に関する。
The present invention relates to an electrochemical reduction apparatus using a diamond electrode, and more particularly to an electrochemical reduction apparatus equipped with a diamond electrode for electrochemical reduction of carbon dioxide.
About.

21世紀は環境の世紀と呼ばれており、サスティナビリティな社会(持続可能な社会)の構築が重要であるとされている。いまや環境問題は世界的関心事となってきているが、地球温暖化問題もその一つである。そして、地球温暖化への寄与率が最も高い温室効果ガスは、二酸化炭素(CO)であるため、地球温暖化の対策として大気中の二酸化炭素の低減化が最も効果的であると考えられている。したがって、大気中に放出される二酸化炭素を分離回収し、還元又は固定化する技術の開発研究が進んでおり、電気化学的還元手法も将来的に実用化が見込まれる技術の一つとして考えられている。 The 21st century is called the century of the environment, and the construction of a sustainable society (sustainable society) is considered important. Environmental issues are now a global concern, and global warming is one of them. Since the greenhouse gas with the highest contribution rate to global warming is carbon dioxide (CO 2 ), it is thought that the reduction of carbon dioxide in the atmosphere is the most effective as a countermeasure against global warming. ing. Therefore, research and development of technology for separating and recovering, reducing or immobilizing carbon dioxide released into the atmosphere is advancing, and electrochemical reduction methods are considered as one of the technologies that are expected to be put into practical use in the future. ing.

二酸化炭素を電気化学的に還元しようとする試みは、古くから研究されており、現在も実用化に向けた応用研究が続いているのが現状である。しかしながら、一般的な電気化学法ではもちろん電力が必要なわけで、その電力を化石燃料による火力発電に頼っていては環境問題の解決には全く意味をなさないのは自明であり、一次エネルギー源として太陽電池などの再生可能エネルギーにより得た電力を用いて、二酸化炭素の電気化学的還元を行うことが想定されている。   Attempts to electrochemically reduce carbon dioxide have been studied for a long time, and the current situation is that applied research for practical use continues. However, in general electrochemical methods, of course, electric power is necessary, and it is obvious that relying on thermal power generation using fossil fuels does not make any sense for solving environmental problems. It is assumed that carbon dioxide is electrochemically reduced using electric power obtained from renewable energy such as solar cells.

二酸化炭素の電気化学的還元は原理的には水の電気分解と同じである。すなわち、カソード側の電解質溶液中に二酸化炭素を飽和させておき、二酸化炭素の電気化学的還元を行わせる。アノードでは、水の酸化反応が進行し、酸素が発生する。二酸化炭素の電気化学的還元法には、実用化に向けて様々な問題点が存在している。   The electrochemical reduction of carbon dioxide is in principle the same as the electrolysis of water. That is, carbon dioxide is saturated in the cathode-side electrolyte solution, and the carbon dioxide is electrochemically reduced. At the anode, the oxidation reaction of water proceeds and oxygen is generated. The electrochemical reduction method of carbon dioxide has various problems for practical use.

従来、二酸化炭素の電気化学的還元のためのカソード電極には、例えば、銅、コバルトポルフィリン(非特許文献1参照)、ニッケルサイクラム錯体(非特許文献2参照)、Cu/Sn/P合金(特許文献1)などの金属電極が用いられてきた。   Conventionally, cathodes for electrochemical reduction of carbon dioxide include, for example, copper, cobalt porphyrin (see Non-Patent Document 1), nickel cyclam complex (see Non-Patent Document 2), Cu / Sn / P alloy ( Metal electrodes such as Patent Document 1) have been used.

特開2003−213472JP 2003-213472 A

D. Behar et al., “Cobalt PorphyrinCatalyzed Reduction of CO2. Radiation Chemical, Photochemical, andElectrochemical Studies”, J. Phys. Chem. A, Vol. 102, 2870 (1998)D. Behar et al. “Cobalt Porphyrin Catalyzed Reduction of CO2. Radiation Chemical, Photochemical, and Electrochemical Studios”, J. Am. Phys. Chem. A, Vol. 102, 2870 (1998) M. Rudolph et al., “Macrocyclic[N42−] Coordinated Nickel Complexes as Catalysts for theFormation of Oxalate by Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide”, J. Am.Chem. Soc., Vol. 122, 10821 (2000)M.M. Rudolph et al. "Macrocyclic [N42-] Coordinated Nickel Complexes as Catalysts for the Formation of Oxalative by Electrochemical of Carbon Dioxide", J. Am. Chem. Soc. , Vol. 122, 10821 (2000)

しかしながら、上述したような文献に開示されている金属電極は、前処理と耐久性に問題がある場合が多い。よって、二酸化炭素の還元の高い電流効率を維持するためには、電極材料の安定性が必要である。   However, the metal electrodes disclosed in the literature as described above often have problems in pretreatment and durability. Therefore, in order to maintain the high current efficiency of the reduction of carbon dioxide, the stability of the electrode material is necessary.

一方、二酸化炭素の電気化学的還元において、二酸化炭素還元の高い電流効率を得るためには、電解質水溶液の二酸化炭素濃度を増加させる必要がある。   On the other hand, in the electrochemical reduction of carbon dioxide, in order to obtain a high current efficiency of carbon dioxide reduction, it is necessary to increase the carbon dioxide concentration of the aqueous electrolyte solution.

本発明はこの課題を鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、簡便にかつ効率よく二酸化炭素を還元することのできる、電気化学的還元装置を提供することである。   This invention is made | formed in view of this subject, The objective of this invention is providing the electrochemical reduction apparatus which can reduce | restore carbon dioxide simply and efficiently.

本発明者らは、鋭意検討した結果、下記構成を有する電気化学的還元装置によって上記課題が解決することを見出し、かかる知見に基づいて更に検討を重ねることによって本発明を完成した。   As a result of intensive studies, the present inventors have found that the above problems can be solved by an electrochemical reduction apparatus having the following configuration, and have further completed the present invention based on such findings.

すなわち、本発明の一態様に係る二酸化炭素用電気化学的還元装置は、アノード電極とホウ素をドープしたダイヤモンドカソード電極とが、二酸化炭素を含む電解液に接触するように、ステンレス製耐圧セルの中に設置されていることを特徴とする。   That is, the electrochemical reduction apparatus for carbon dioxide according to one embodiment of the present invention includes a stainless steel pressure-resistant cell in which an anode electrode and a boron-doped diamond cathode electrode are in contact with an electrolytic solution containing carbon dioxide. It is characterized by being installed in.

このような構成により、安定した電極を備え、かつ高圧に耐えうるセルを用いて、簡便かつ効率的に二酸化炭素を還元することができる。   With such a configuration, carbon dioxide can be easily and efficiently reduced using a cell having a stable electrode and capable of withstanding high pressure.

前記電気化学的還元装置において、さらに参照電極が前記セルの中に設置されていることが好ましい。それにより、電解液の抵抗によるiR降下を除いたカソード電極に印加した電圧のみを測定することができる。   In the electrochemical reduction apparatus, it is preferable that a reference electrode is further installed in the cell. Thereby, only the voltage applied to the cathode electrode excluding the iR drop due to the resistance of the electrolytic solution can be measured.

また、前記電気化学的還元装置において、前記セル内にガラスセルを備え、該ガラスセル内においてアノード室とカソード室とがイオン交換膜で仕切られていることが好ましい。そのような構成により、アノード室とカソード室とで起こる反応を分けることができ、片方の電極で発生した生成物が、もう片方の電極で反応することを避けることができる。   In the electrochemical reduction apparatus, it is preferable that a glass cell is provided in the cell, and the anode chamber and the cathode chamber are partitioned by an ion exchange membrane in the glass cell. With such a configuration, the reactions occurring in the anode chamber and the cathode chamber can be separated, and the product generated in one electrode can be prevented from reacting in the other electrode.

さらに、前記電気化学的還元装置において、前記電解液が溶媒として水及びメタノールを含むことが好ましい。溶媒に水やメタノールを用いることにより、二酸化炭素の溶解度が高いため、二酸化炭素を効率良く還元することができる。さらに、メタノールを用いることにより0℃以下で還元することも可能となる。   Furthermore, in the electrochemical reduction device, it is preferable that the electrolytic solution contains water and methanol as solvents. By using water or methanol as the solvent, the solubility of carbon dioxide is high, so that carbon dioxide can be reduced efficiently. Furthermore, it becomes possible to reduce at 0 ° C. or less by using methanol.

また、前記電気化学的還元装置が、前記ステンレス製耐圧セルまたは前記ガラスセル内の電解液に、1〜10atmの圧力をかける圧力計をさらに備えていることが好ましい。そうすることにより、電解液中の二酸化炭素溶解量を増加させることができ、より効率よく二酸化炭素の還元を行うことができる。   Moreover, it is preferable that the electrochemical reduction device further includes a pressure gauge that applies a pressure of 1 to 10 atm to the electrolytic solution in the stainless steel pressure cell or the glass cell. By doing so, the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolytic solution can be increased, and carbon dioxide can be reduced more efficiently.

また、前記電気化学的還元装置において、前記電解液温度が−30〜10℃であることが好ましい。そうすることにより、電解液中の二酸化炭素溶解量を増加させることができ、より効率よく二酸化炭素の還元を行うことができる。   In the electrochemical reduction device, the electrolyte temperature is preferably −30 to 10 ° C. By doing so, the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolytic solution can be increased, and carbon dioxide can be reduced more efficiently.

さらに、前記電解液に含まれる支持電解質が、塩化リチウム、塩化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、塩化セシウムから選択される少なくとも1つであることが好ましい。そうすることにより、より効率よく二酸化炭素の還元を行うことができる。   Furthermore, the supporting electrolyte contained in the electrolytic solution is at least one selected from lithium chloride, sodium chloride, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, and cesium chloride. Is preferred. By doing so, carbon dioxide can be reduced more efficiently.

本発明によれば、安定した電極を備え、簡便かつ効率的に二酸化炭素を還元することができる電気化学的還元装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrochemical reduction apparatus provided with the stable electrode and can reduce | restore carbon dioxide simply and efficiently can be provided.

図1は、一つのセル中においてアノード反応とカソード反応が進行することを特徴とする、高圧条件下でダイヤモンド電極を組み入れた二酸化炭素を電気化学的に還元する、本発明に係る装置の一実施態様を示す。FIG. 1 shows an embodiment of the apparatus according to the invention for electrochemically reducing carbon dioxide incorporating a diamond electrode under high pressure conditions, characterized in that the anodic and cathodic reactions proceed in one cell. An aspect is shown. 図2は、アノード反応とカソード反応を分離し、二つのセル中においてアノード反応とカソード反応が別々に進行することを特徴とする、高圧条件下でダイヤモンド電極を組み入れた二酸化炭素を電気化学的に還元する、本発明に係る装置の一実施態様を示す。FIG. 2 shows the electrochemical separation of carbon dioxide incorporating a diamond electrode under high pressure conditions, wherein the anode reaction and the cathode reaction are separated and the anode reaction and the cathode reaction proceed separately in the two cells. 1 shows one embodiment of an apparatus according to the invention for reduction.

以下、本実施形態による電気化学的還元装置について、必要に応じて図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, the electrochemical reduction apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the drawings as necessary.

<第一の実施形態>
図1に示すように、本発明の一つの実施態様に係る二酸化炭素用電気化学的還元装置1は、アノード電極4とホウ素をドープしたダイヤモンドカソード電極3とが、二酸化炭素を含む電解液13に接触するように、ステンレス製耐圧セル2の中に設置されていることを特徴とする。
<First embodiment>
As shown in FIG. 1, an electrochemical reduction apparatus for carbon dioxide 1 according to one embodiment of the present invention includes an anode electrode 4 and a boron-doped diamond cathode electrode 3 in an electrolyte solution 13 containing carbon dioxide. It is installed in the pressure | voltage resistant cell 2 made from stainless steel so that it may contact.

このように安定な電極であるダイヤモンド電極をカソード電極として使用し、耐圧セル内で高圧条件下にて電気化学的還元を行うことによって、簡便かつ効率的に二酸化炭素を還元することができると考えられる。   It is thought that carbon dioxide can be easily and efficiently reduced by using a diamond electrode, which is a stable electrode, as a cathode electrode and performing electrochemical reduction under high pressure conditions in a pressure cell. It is done.

すなわち、本実施形態に係る二酸化炭素用電気化学的還元装置1は、電解液容器としてステンレス製耐圧セル2を用い、該セル内の電解液13に、アノード電極4とホウ素をドープしたダイヤモンドカソード電極3とを浸漬させた構成を有する。電気化学的還元装置1は、さらに電解液を撹拌する撹拌手段(例えば、図2に示す撹拌子)や、参照電極5を備えていてもよい。   That is, the electrochemical reduction apparatus 1 for carbon dioxide according to the present embodiment uses a stainless pressure cell 2 as an electrolytic solution container, and an anode electrode 4 and a boron cathode-doped diamond cathode electrode in the electrolytic solution 13 in the cell. 3 is immersed. The electrochemical reduction device 1 may further include a stirring means (for example, a stirrer shown in FIG. 2) for stirring the electrolytic solution and a reference electrode 5.

一般的に、電解液の温度を低下させると、二酸化炭素溶解量が増加することが知られている。また、圧力を増加させても、電解液中の二酸化炭素溶解量は増加する。しかしながら、電解温度を低下させると、電気化学的還元において電流密度(反応速度)が低下する傾向にあるため、可能であれば圧力を増加させる方が望ましい。よって、本実施形態においては、高圧に耐えうるステンレス製耐圧セル2を必須構成として用いて、高圧下で二酸化炭素の電気化学的還元を行う装置を提供する。   Generally, it is known that the amount of carbon dioxide dissolved increases when the temperature of the electrolytic solution is lowered. Even if the pressure is increased, the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolyte increases. However, decreasing the electrolysis temperature tends to decrease the current density (reaction rate) in electrochemical reduction, so it is desirable to increase the pressure if possible. Therefore, in this embodiment, the apparatus which performs the electrochemical reduction of a carbon dioxide under a high voltage | pressure using the stainless steel pressure | voltage resistant cell 2 which can endure a high voltage | pressure as an essential structure is provided.

このように電気化学的還元装置1内を高圧環境にするため、電気化学的還元装置1に高圧バルブ7、圧力計6を設置して、装置内の圧力を調整することができる。   Thus, in order to make the inside of the electrochemical reduction apparatus 1 into a high pressure environment, the high pressure valve 7 and the pressure gauge 6 can be installed in the electrochemical reduction apparatus 1 to adjust the pressure in the apparatus.

本実施形態において、電気化学的還元装置1内の圧力は、1〜10atm程度であることが好ましい。このような範囲の圧力をかけることにより、電解液中の二酸化炭溶解量をより増加させることができると考えられる。   In the present embodiment, the pressure in the electrochemical reduction device 1 is preferably about 1 to 10 atm. It is considered that the amount of dissolved carbon dioxide in the electrolytic solution can be increased by applying a pressure in such a range.

さらに、高圧力に耐え得るようにするため、蓋の固定は強固なボルト8で行い、密封するためにOリング9等を使用することが好ましい。   Further, in order to withstand high pressure, it is preferable to fix the lid with a strong bolt 8 and use an O-ring 9 or the like for sealing.

なお、前記ダイヤモンドカソード電極3で、前記電解液13中の二酸化炭素が還元されて消費されることで、電解液13中の二酸化炭素等の濃度が減少する。したがって、還元反応によって減少した二酸化炭素等は常に補充され、その濃度は常に所定範囲内に保たれることが必要である。そのため、図示はしていないが、前記セル2内の電解液13を循環する循環手段等を、電気化学的還元装置1に適宜設置してもよい。   In addition, the carbon dioxide in the electrolytic solution 13 is reduced and consumed by the diamond cathode electrode 3, so that the concentration of carbon dioxide or the like in the electrolytic solution 13 is reduced. Therefore, it is necessary to constantly replenish carbon dioxide and the like that have been reduced by the reduction reaction, and always maintain the concentration within a predetermined range. Therefore, although not shown, a circulating means for circulating the electrolytic solution 13 in the cell 2 may be installed in the electrochemical reduction device 1 as appropriate.

さらに、二酸化炭素が還元されて発生したガスなどを回収する手段も設けておくことが好ましい。効率よく発生したガスを回収し、利用することができるためである。   Furthermore, it is preferable to provide means for recovering the gas generated by the reduction of carbon dioxide. This is because the efficiently generated gas can be recovered and used.

(ステンレス製耐圧セル)
本実施形態に係る電気化学的還元装置1において、二酸化炭素の電気化学的還元はステンレス製耐圧セル2内で行われる。
(Stainless pressure cell)
In the electrochemical reduction device 1 according to the present embodiment, the electrochemical reduction of carbon dioxide is performed in a stainless pressure-resistant cell 2.

本実施形態で使用するステンレス製耐圧セル2は、高圧(例えば、1〜10atm程度)に耐えることが可能な、ステンレス鋼によって構成されているものであれば特に限定はされないが、例えば、SUS316やSUS304等のステンレス鋼を使用することができる。   The stainless steel pressure cell 2 used in the present embodiment is not particularly limited as long as it is made of stainless steel capable of withstanding high pressure (for example, about 1 to 10 atm). For example, SUS316 or Stainless steel such as SUS304 can be used.

上述したようなステンレス製耐圧セルは、絶縁及び耐食性向上の目的のため、テフロン(登録商標)などで内側をコーティングしてもよい。   A stainless steel pressure cell as described above may be coated on the inside with Teflon (registered trademark) or the like for the purpose of improving insulation and corrosion resistance.

(電極)
本実施形態において、カソード電極(陽極)3として使用されるのは、ホウ素をドープしたダイヤモンド電極である。このようなダイヤモンド電極を用いることにより、電解による溶出によって電極が消耗しにくくなり、安定して電気化学的還元を行うことが可能となる。
(electrode)
In the present embodiment, a diamond electrode doped with boron is used as the cathode electrode (anode) 3. By using such a diamond electrode, it becomes difficult for the electrode to be consumed by elution by electrolysis, and it becomes possible to perform electrochemical reduction stably.

このようなホウ素ドープダイヤモンド電極は、例えば、シリコンウエハ等の半導体材料を基材とし、このウエハ基材表面にホウ素ドープダイヤモンド薄膜を形成させることで得られる。なお、ホウ素ドープダイヤモンド電極は、ウエハを溶解させたものや、基材を用いない条件で板状に析出合成したセルフスタンド型導電性多結晶ダイヤモンドを用いることも可能である。また、Nb、W、Tiなどの金属基板上に積層したものも利用できる。   Such a boron-doped diamond electrode can be obtained, for example, by using a semiconductor material such as a silicon wafer as a base material and forming a boron-doped diamond thin film on the surface of the wafer base material. As the boron-doped diamond electrode, it is possible to use a melted wafer or self-standing type conductive polycrystalline diamond deposited and synthesized in a plate shape without using a base material. Moreover, what was laminated | stacked on metal substrates, such as Nb, W, and Ti, can also be utilized.

前記ホウ素ドープダイヤモンド薄膜は、ダイヤモンド薄膜の合成の際に所定量のホウ素をドープして導電性を付与したものである。なお、ドープの量は、ダイヤモンド薄膜の炭素量に対して、50〜20,000ppm程度であることが好ましい。50ppmより少ないとオゾンを効率的に発生させることができず、20,000ppmより多いとドープ効果が飽和してしまうおそれがある。   The boron-doped diamond thin film is provided with conductivity by doping a predetermined amount of boron during synthesis of the diamond thin film. In addition, it is preferable that the quantity of dope is about 50-20,000 ppm with respect to the carbon content of a diamond thin film. If it is less than 50 ppm, ozone cannot be generated efficiently, and if it exceeds 20,000 ppm, the doping effect may be saturated.

また、アノード電極(陰極)4としては、特に限定はされないが、例えば、白金、イリジウム、パラジウム、オスミウム、ロジウム、及びルテニウムからなる群から選ばれるいずれか一種であることが好ましい。   Further, the anode electrode (cathode) 4 is not particularly limited, but is preferably any one selected from the group consisting of platinum, iridium, palladium, osmium, rhodium, and ruthenium.

本実施形態にかかる電極は、通常は板状のものを使用するが、網目構造物を板状にしたものであっても使用できる。例えば、平板上のダイヤモンド電極に電解膜を隔てて、ワイヤー状の陰極を配置したり、平板上のダイヤモンド電極に電解膜を隔てて、メッシュ状の陰極を配置することも可能である。また、電極の数は特に限定されるものではない。   The electrode according to the present embodiment is usually a plate-like electrode, but can be used even if the network structure is made into a plate shape. For example, it is possible to arrange a wire-like cathode with a diamond electrode on a flat plate with an electrolytic membrane therebetween, or a mesh-like cathode with a membrane electrode separated from a diamond electrode on a flat plate. Further, the number of electrodes is not particularly limited.

さらに、本実施形態においては、参照電極5を使用してもよい。参照電極5としては、電気化学の分野で通常使用されているものであれば特に限定なく使用することができるが、具体的には、例えば、耐圧性の標準水素電極、耐圧性の銀/塩化銀電極等が例示される。このような参照電極を用いることにより、電解液の抵抗によるiR降下を除いたカソード電極に印加した電圧のみを測定することができるという利点がある。   Further, in the present embodiment, the reference electrode 5 may be used. The reference electrode 5 can be used without particular limitation as long as it is normally used in the field of electrochemistry, and specifically, for example, a pressure-resistant standard hydrogen electrode, a pressure-resistant silver / chloride. A silver electrode etc. are illustrated. By using such a reference electrode, there is an advantage that only the voltage applied to the cathode electrode excluding the iR drop due to the resistance of the electrolytic solution can be measured.

本実施形態においては、前記電極は、電源と電気的に接続されている(図示せず)。電源については、特に限定はなく、電気分解用に通常使用されているものであれば特に限定なく使用することができる。   In the present embodiment, the electrode is electrically connected to a power source (not shown). The power source is not particularly limited, and any power source that is usually used for electrolysis can be used without particular limitation.

本実施形態において、還元電位は、上記電極に対し、通常、−1.5〜−5.0V vs. Ag/AgCl sat. KCl程度であり、例えば、ポテンシオ・ガルバノスタッド装置等の電源装置を用いることができる。   In the present embodiment, the reduction potential is generally −1.5 to −5.0 V vs. with respect to the electrode. Ag / AgCl sat. For example, a power supply device such as a potentio galvano stud device can be used.

(電解液)
本実施形態の電気化学的還元装置1に用いられる電解液13としては、二酸化炭素を大量に溶解できる電解液であることが好ましく、例えば、メタノール、エタノール等の低級アルコール溶液、あるいは、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性溶液、モノメタノールアミン、メチルアミン、その他液状のアミン、またはそれら液状のアミンと電解質水溶液の混合液などが用いられる。また、電解質水溶液としては特に制限されないが、例えば、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、塩化リチウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化ルビジウム水溶液、水酸化セシウム水溶液、塩化セシウム水溶液などを用いることができる。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。
(Electrolyte)
The electrolytic solution 13 used in the electrochemical reduction device 1 of the present embodiment is preferably an electrolytic solution that can dissolve a large amount of carbon dioxide. For example, a lower alcohol solution such as methanol or ethanol, or sodium hydroxide An alkaline solution such as an aqueous solution, an aqueous potassium hydroxide solution, monomethanolamine, methylamine, other liquid amines, or a mixture of these liquid amines and an aqueous electrolyte solution may be used. Further, the electrolyte aqueous solution is not particularly limited, but for example, potassium chloride aqueous solution, sodium chloride aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, sodium hydrogen carbonate aqueous solution, potassium carbonate aqueous solution, lithium chloride aqueous solution, lithium hydroxide aqueous solution, water An aqueous rubidium oxide solution, an aqueous cesium hydroxide solution, an aqueous cesium chloride solution, or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

なかでも、より好ましくは、物理的溶解度が優れているという観点からメタノールなどの低級アルコール及び水を溶媒とし、支持電解質として、カリウム塩、リチウム塩、ナトリウム塩、セシウム塩、ルビジウム塩等を含む電解液を用いることの望ましい。これらの金属はイオン化傾向が大きく、還元されず反応に関与しないという利点があるからである。また、溶媒に水やメタノールを用いることにより、二酸化炭素の溶解度が高いため、二酸化炭素を効率良く還元することができる。さらに、メタノールを用いることにより0℃以下で還元することも可能となる。   Among them, more preferably, from the viewpoint of excellent physical solubility, a lower alcohol such as methanol and water are used as a solvent, and an electrolyte containing potassium salt, lithium salt, sodium salt, cesium salt, rubidium salt, etc. as a supporting electrolyte. It is desirable to use a liquid. This is because these metals have a large ionization tendency and are not reduced and do not participate in the reaction. Moreover, since the solubility of carbon dioxide is high by using water or methanol as a solvent, carbon dioxide can be reduced efficiently. Furthermore, it becomes possible to reduce at 0 ° C. or less by using methanol.

電解液の特に好ましい具体例としては、例えば、二酸化炭素を飽和させた水酸化カリウムメタノール等を用いることができる。   As a particularly preferred specific example of the electrolytic solution, for example, potassium hydroxide methanol saturated with carbon dioxide can be used.

本実施形態において、電解液の温度(還元温度)を低く設定することが好ましく、例えば、−30〜10℃程度の低温に保つことが望ましい。それにより、より二酸化炭素還元の効率を向上させることができる。電解液の温度は、例えば、冷却装置などを設置することによって調整が可能である。   In the present embodiment, the temperature of the electrolytic solution (reduction temperature) is preferably set low, and for example, it is desirable to maintain a low temperature of about −30 to 10 ° C. Thereby, the efficiency of carbon dioxide reduction can be further improved. The temperature of the electrolytic solution can be adjusted, for example, by installing a cooling device or the like.

<第二の実施形態>
本実施形態に係る電気化学的還元装置1は、図2に示すように、前記ステンレス性耐圧セル2内にさらにガラスセル12を備え、該ガラスセル12内においてアノード室とカソード室とがイオン交換膜10で仕切られていてもよい。この場合、二酸化炭素の電気化学的還元は前記ガラスセル12内で行われる。
<Second Embodiment>
As shown in FIG. 2, the electrochemical reduction apparatus 1 according to the present embodiment further includes a glass cell 12 in the stainless steel pressure-resistant cell 2, and the anode chamber and the cathode chamber are ion-exchanged in the glass cell 12. It may be partitioned by the film 10. In this case, the electrochemical reduction of carbon dioxide is performed in the glass cell 12.

前記ガラスセル12としては、例えば、H型ガラスセル等を用いることができる。   As the glass cell 12, for example, an H-type glass cell or the like can be used.

前記イオン交換膜10としては特に制限はないが、例えば、炭化水素系、パーフルオロカーボン系、スチレン系、アクリル系、縮合系、エンプラ系などのイオン交換膜を用いることがでる。特に好ましくは、パーフルオロカーボン系等を用いることができ、例えば、市販で入手可能な具体例を挙げれば、デュポン(株)社製の「ナフィオン117」などを用いることができる。本実施形態において、イオン交換膜10は、アノード室とカソード室とで起こる反応を分けることができ、片方の電極で発生した生成物が、もう片方の電極で反応することを避けることができるという機能を奏する。   Although there is no restriction | limiting in particular as the said ion exchange membrane 10, For example, ion exchange membranes, such as a hydrocarbon type, a perfluorocarbon type, a styrene type, an acryl type, a condensation type, an engineering plastic type, can be used. Particularly preferably, a perfluorocarbon-based material can be used. For example, “Nafion 117” manufactured by DuPont Co., Ltd. can be used as a specific example that is commercially available. In the present embodiment, the ion exchange membrane 10 can separate the reactions occurring in the anode chamber and the cathode chamber, and the product generated in one electrode can be prevented from reacting in the other electrode. Play a function.

さらに、必要に応じて、イオン交換膜10と電極との間に介在する電解質を設けてもよい。電解質としては、特に制限はないが、塩化リチウムアルコール水溶液、塩化ナトリウムアルコール水溶液、水酸化リチウムアルコール水溶液、水酸化ナトリウムアルコール水溶液、水酸化カリウムアルコール水溶液、水酸化ルビジウムアルコール水溶液、水酸化セシウムアルコール水溶液、塩化セシウムアルコール水溶液等を用いることができる。   Further, if necessary, an electrolyte interposed between the ion exchange membrane 10 and the electrode may be provided. The electrolyte is not particularly limited, but lithium chloride alcohol aqueous solution, sodium chloride alcohol aqueous solution, lithium hydroxide alcohol aqueous solution, sodium hydroxide alcohol aqueous solution, potassium hydroxide alcohol aqueous solution, rubidium hydroxide aqueous solution, cesium hydroxide alcohol aqueous solution, A cesium chloride alcohol aqueous solution or the like can be used.

以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明を、更に具体的に説明するが、本発明が、これら実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもない。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上述した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えうることは理解されるべきである。   Hereinafter, representative examples of the present invention will be shown and the present invention will be described more specifically. Needless to say, the present invention is not limited by the description of these examples. . In addition to the following examples, the present invention includes various changes and modifications based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention other than the specific description described above. It should be understood that improvements and the like can be made.

(実施例1)
(使用した装置)
図1に示すような装置を用いた。ステンレス製耐圧セル2(ファインケミカルジャパン株式会社社製の「(製品名)」)の内面をテフロン(登録商標)でコーティングし、カソード電極3として、発明者によりマイクロ波プラズマCVD装置を用いてb合成された、10mm×20mmの低抵抗シリコン基板上にホウ素を2000ppmドープしたボロンドープダイヤモンド電極を用い、アノード電極として白金板(30mm×10mm、0.1mm、99.8%)を用いた。ホウ素ドープダイヤモンドは、導電性エポキシ樹脂でニッケル線と接地して、その周りをアラルダイドによりコーティングし、さらに高分子樹脂で覆うことにより、電極反応がホウ素ドープダイヤモンド表面でのみ起こるようにした。電解液13としては、支持電解質(詳細は後述)を溶解したメタノール溶媒25mLをステンレスセル2に加えた。参照電極には擬似銀棒電極を用いた。
Example 1
(Device used)
An apparatus as shown in FIG. 1 was used. The inner surface of stainless steel pressure-resistant cell 2 (“(product name)” manufactured by Fine Chemical Japan Co., Ltd.) is coated with Teflon (registered trademark), and the cathode electrode 3 is synthesized by the inventors using a microwave plasma CVD apparatus. A boron-doped diamond electrode doped with 2000 ppm of boron on a 10 mm × 20 mm low-resistance silicon substrate was used, and a platinum plate (30 mm × 10 mm, 0.1 mm, 99.8%) was used as the anode electrode. Boron-doped diamond was grounded to a nickel wire with a conductive epoxy resin, and the periphery thereof was coated with araldide and covered with a polymer resin so that the electrode reaction occurred only on the surface of the boron-doped diamond. As the electrolytic solution 13, 25 mL of a methanol solvent in which a supporting electrolyte (described later in detail) was dissolved was added to the stainless steel cell 2. A pseudo silver bar electrode was used as the reference electrode.

電解中の温度は冷却装置で一定とし、ポテンシオ/ガルバノスタット電源により定電位電解を行った。通電量は30〜50クーロンとした。還元生成物の分析には、ガスクロマトグラフィーと高速液体クロマトグラフィーを用いた。以下の試験においては、生成物の電流効率を計算し、電気化学的還元装置の性能を評価した。   The temperature during electrolysis was fixed by a cooling device, and constant potential electrolysis was performed using a potentio / galvanostat power source. The energization amount was 30 to 50 coulombs. Gas chromatography and high performance liquid chromatography were used for analysis of the reduction product. In the following tests, the current efficiency of the product was calculated and the performance of the electrochemical reduction device was evaluated.

(評価)
1.圧力
電解液13として0.3M KOH/メタノールを用いて、0℃において、ステンレス製耐圧セル2を用いて、二酸化炭素の電気化学的還元を行い、圧力の影響を調べた。その結果を表1に示す。還元電位は、−3.0V vs.擬似銀参照電極であった。還元生成物は、CO、ギ酸メチル、メタンであり、エチレンとエタンは生成しなかった。圧力を4atm以上にすると、COとギ酸の電流効率は増加し、水素の電流効率は減少した。4atmにおけるCOとギ酸の電流効率の合計は、約83%であった。
(Evaluation)
1. Pressure Using 0.3 M KOH / methanol as the electrolytic solution 13, the pressure reduction cell 2 made of stainless steel was used for electrochemical reduction at 0 ° C., and the influence of pressure was examined. The results are shown in Table 1. The reduction potential was −3.0 V vs. It was a pseudo silver reference electrode. The reduction products were CO, methyl formate, and methane, and ethylene and ethane were not produced. When the pressure was 4 atm or more, the current efficiency of CO and formic acid increased, and the current efficiency of hydrogen decreased. The total current efficiency of CO and formic acid at 4 atm was about 83%.

Figure 2014167151
電解液 300mM KOH/methanol
電位 −3.0V vs. 擬似銀参照電極
温度 0℃
通電量 50クーロン
Figure 2014167151
Electrolyte 300mM KOH / ethanol
Potential -3.0 V vs. Pseudosilver reference electrode temperature 0 ° C
Energization amount 50 coulomb

2.電位
電解溶液0.3M KOH/メタノールを用いて、4atmにて、ステンレス製耐圧セル2を用いて、二酸化炭素の電気化学的還元を行い、電位の影響を調べた。その結果を表2に示す。還元温度は、0℃であった。還元生成物は、CO、ギ酸メチル、メタンであり、エチレンとエタンは生成しなかった。還元電位が−2.8〜−3.2V付近で、ギ酸メチルの電流効率が高い傾向が得られた。
2. Potential Electrolytic reduction of carbon dioxide was performed using a stainless steel pressure-resistant cell 2 at 4 atm using an electrolytic solution 0.3 M KOH / methanol, and the influence of the potential was examined. The results are shown in Table 2. The reduction temperature was 0 ° C. The reduction products were CO, methyl formate, and methane, and ethylene and ethane were not produced. When the reduction potential was around -2.8 to -3.2 V, there was a tendency that the current efficiency of methyl formate was high.

Figure 2014167151
電解質300mM KOH/methanol
圧力 4atm
温度 0℃
通電量 50クーロン
Figure 2014167151
Electrolyte 300mM KOH / ethanol
Pressure 4atm
Temperature 0 ℃
Energization amount 50 coulomb

3.温度
電解液13として0.3M KOH/メタノールを用いて、4atmで、ステンレス製耐圧セル2を用いて、二酸化炭素の電気化学的還元を行い、温度の影響を調べた。その結果を表3に示す。還元電位は、−3.0Vであった。還元生成物は、CO、ギ酸メチル、メタンであり、エチレンとエタンは生成しなかった。還元温度が0℃付近で、ギ酸メチルの電流効率が高い傾向が得られた。
3. Temperature Using 0.3 M KOH / methanol as the electrolyte solution 13, the pressure reduction cell 2 made of stainless steel was used to perform electrochemical reduction of carbon dioxide at 4 atm, and the influence of temperature was examined. The results are shown in Table 3. The reduction potential was −3.0V. The reduction products were CO, methyl formate, and methane, and ethylene and ethane were not produced. When the reduction temperature was around 0 ° C., the current efficiency of methyl formate tended to be high.

Figure 2014167151
電解質300mM KOH/methanol
電位 −3.0V vs. 擬似銀参照電極
圧力 4atm
通電量 50クーロン
Figure 2014167151
Electrolyte 300mM KOH / ethanol
Potential -3.0 V vs. Pseudo silver reference electrode pressure 4 atm
Energization amount 50 coulomb

4.電解質
4atmにおいて1セルの高圧ステンレスセルを用いて、CO2の電気化学的還元を行い、支持電解質の影響を調べた。その結果を表4に示す。還元電位は、−3.0Vであった。還元生成物は、CO、ギ酸メチル、メタンであり、エチレンとエタンは生成しなかった。支持電解質にカリウム塩を用いると、ギ酸メチルの電流効率が高い傾向が得られた。
4). Electrolyte Using a single high-pressure stainless steel cell at 4 atm, the CO2 was electrochemically reduced to examine the influence of the supporting electrolyte. The results are shown in Table 4. The reduction potential was −3.0V. The reduction products were CO, methyl formate, and methane, and ethylene and ethane were not produced. When potassium salt was used for the supporting electrolyte, the tendency of high current efficiency of methyl formate was obtained.

Figure 2014167151
電位 −3.0V vs. 擬似銀参照電極
温度 0℃
圧力 4atm
通電量 50クーロン
Figure 2014167151
Potential -3.0 V vs. Pseudosilver reference electrode temperature 0 ° C
Pressure 4atm
Energization amount 50 coulomb

(実施例2)
図2に示す装置を用いて二酸化炭素の還元を行った。ステンレス製耐圧セル2内にH型ガラスセル12を設置し、カソード電極3を有するカソード室とアノード電極4を有するアノード室をイオン交換膜10(デュポン(株)社製のパーフルオロカーボン系のプロトン透過膜であるナフィオン117)で仕切った。支持電解質として水酸化カリウム100mMを溶解したメタノールを電解液として用いた。前記電解液15mLをカソード室とアノード室に15mLずつ加えた。カソード電極としては、実施例1と同じホウ素ドープダイヤモンド電極を用いた。アノード電極には、白金板(30mm×15mm、0.1mm、99.8%)を用いた。擬似参照電極としては、銀ロッドを用いた。ステンレス製耐圧セルにかける圧力は4atmで一定にし、電解液の温度は15℃に設定した。通電量は30クーロンまでで、定電位電解を行い、二酸化炭素の電気化学的還元を進行させた。発生した生成物は、ガスクロマトグラフィーと高速液体クロマトグラフィーで分析した。生成物の電流効率を計算し、評価した。
(Example 2)
Carbon dioxide was reduced using the apparatus shown in FIG. An H-shaped glass cell 12 is installed in a pressure-resistant cell 2 made of stainless steel. The membrane was partitioned with Nafion 117). As a supporting electrolyte, methanol in which 100 mM potassium hydroxide was dissolved was used as an electrolytic solution. 15 mL of the electrolyte was added to each of the cathode chamber and the anode chamber. The same boron-doped diamond electrode as in Example 1 was used as the cathode electrode. A platinum plate (30 mm × 15 mm, 0.1 mm, 99.8%) was used for the anode electrode. A silver rod was used as the pseudo reference electrode. The pressure applied to the stainless steel pressure-resistant cell was kept constant at 4 atm, and the temperature of the electrolyte was set to 15 ° C. The energization amount was up to 30 coulombs, constant potential electrolysis was performed, and the electrochemical reduction of carbon dioxide was advanced. The generated product was analyzed by gas chromatography and high performance liquid chromatography. The current efficiency of the product was calculated and evaluated.

高圧条件下におけるダイヤモンド電極による二酸化炭素の電気化学的還元結果を表5に示す。   Table 5 shows the results of electrochemical reduction of carbon dioxide with a diamond electrode under high pressure conditions.

Figure 2014167151
上記の還元結果から、アノード室とカソード室を分離し、二つに分けたセル中においてアノード反応とカソード反応が別々に進行することを特徴とする、高圧条件下でダイヤモンド電極を用いて二酸化炭素を電気化学的に還元するステンレス耐圧セルにおいても、二酸化炭素の電気化学的還元が進行していることを確かめることができた。
Figure 2014167151
From the above reduction results, the anode chamber and the cathode chamber are separated, and the anode reaction and the cathode reaction proceed separately in a cell divided into two, and carbon dioxide using a diamond electrode under high pressure conditions It was confirmed that the electrochemical reduction of carbon dioxide was also progressing in the stainless steel pressure cell that electrochemically reduced the carbon dioxide.

1 電気化学的還元装置
2 耐圧セル
3 ダイヤモンド電極(カソード電極)
4 アノード電極
5 参照電極
6 圧力計
7 高圧バルブ
8 ボルト
9 Oリング
10 イオン交換膜
11 撹拌子
1 Electrochemical reduction device 2 Withstand pressure cell 3 Diamond electrode (cathode electrode)
4 Anode electrode 5 Reference electrode 6 Pressure gauge 7 High-pressure valve 8 Bolt 9 O-ring 10 Ion exchange membrane 11 Stirrer

Claims (7)

アノード電極と、ホウ素をドープしたダイヤモンドカソード電極とが、二酸化炭素を含む電解液に接触するように、ステンレス製耐圧セルの中に設置されている、二酸化炭素用電気化学的還元装置。   An electrochemical reduction device for carbon dioxide in which an anode electrode and a diamond cathode electrode doped with boron are installed in a stainless steel pressure-resistant cell so as to come into contact with an electrolytic solution containing carbon dioxide. さらに参照電極が前記セルの中に設置されている、請求項1記載の電気化学的還元装置。   The electrochemical reduction apparatus according to claim 1, further comprising a reference electrode installed in the cell. 前記セル内にさらにガラスセルを備え、該ガラスセル内において、前記アノード電極を有するアノード室と前記ダイヤモンドカソード電極を有するカソード室とがイオン交換膜で仕切られている、請求項1または2記載の電気化学的還元装置。   The glass cell is further provided in the cell, and the anode chamber having the anode electrode and the cathode chamber having the diamond cathode electrode are partitioned by an ion exchange membrane in the glass cell. Electrochemical reduction device. 前記電解液が溶媒として水及びメタノールを含む、請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学的還元装置。   The electrochemical reduction device according to claim 1, wherein the electrolytic solution contains water and methanol as a solvent. 前記ステンレス製耐圧セルまたは前記ガラスセル内の電解液に、1〜10atmの圧力をかける圧力計をさらに備えた、請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学的還元装置。   The electrochemical reduction device according to any one of claims 1 to 4, further comprising a pressure gauge that applies a pressure of 1 to 10 atm to the electrolytic solution in the stainless steel pressure cell or the glass cell. 前記電解液温度が−30〜10℃である、請求項1〜5のいずれかに記載の電気化学的還元装置。   The electrochemical reduction device according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrolyte temperature is -30 to 10 ° C. 前記電解液に含まれる支持電解質が、塩化リチウム、塩化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、塩化セシウムから選択される少なくとも1つである、請求項1〜6のいずれかに記載の電気化学的還元装置。

The supporting electrolyte contained in the electrolytic solution is at least one selected from lithium chloride, sodium chloride, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, cesium hydroxide, and cesium chloride. The electrochemical reduction apparatus in any one of 1-6.

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