JP2016151064A - Carbon dioxide reduction electrode and carbon dioxide reduction apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二酸化炭素を還元してメタノールを生成するための二酸化炭素還元電極、およびこれを用いて二酸化炭素還元装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide reduction electrode for reducing carbon dioxide to produce methanol, and a carbon dioxide reduction device using the same.
近年、化石燃料枯渇問題の解決に向けて、水や二酸化炭素からエネルギー源として有用な水素や有機物を生成するための研究が重要視されている。特に、光触媒又は水分解電極を用いた水分解による水素の生成に関する研究が進められている。しかし、水素は、エネルギー源として、汎用性があるとは言いがたく、貯蔵、運搬に関して多くの課題がある。 In recent years, in order to solve the fossil fuel depletion problem, research for generating hydrogen and organic matter useful as energy sources from water and carbon dioxide is regarded as important. In particular, research on hydrogen generation by water splitting using a photocatalyst or a water splitting electrode is underway. However, it is difficult to say that hydrogen is versatile as an energy source, and there are many problems regarding storage and transportation.
そこで、二酸化炭素から汎用性のあるメタノール等のアルコールを生成する開発が進められている。例えば、三級アミン化合物からなる触媒を含む水溶液からなる電解液中で、Au等からなる金属電極により二酸化炭素を還元することにより、メタノールを生成する技術が開発されている(特許文献1参照)。 Then, development which produces | generates alcohol, such as methanol which has versatility from a carbon dioxide, is advanced. For example, a technique for generating methanol by reducing carbon dioxide with a metal electrode made of Au or the like in an electrolytic solution made of an aqueous solution containing a catalyst made of a tertiary amine compound has been developed (see Patent Document 1). .
しかしながら、上述のように触媒を含む水溶液中で金属電極を用いて二酸化炭素を還元すると、二酸化炭素からのメタノールの生成効率が低くなる。即ち、三級アミン化合物と二酸化炭素とから生成される反応中間体と金属電極との反応性よりも電解液中の水素イオンと金属電極との反応性の方が高いため、水の電気分解が進行して水素が発生し易いという問題がある。特に、反応性を高めるために電流密度を高くするとその傾向が顕著になり、二酸化炭素からのメタノールの生成効率がより一層低下する。 However, when carbon dioxide is reduced using a metal electrode in an aqueous solution containing a catalyst as described above, the production efficiency of methanol from carbon dioxide decreases. That is, the reactivity between hydrogen ions in the electrolyte and the metal electrode is higher than the reactivity between the reaction intermediate produced from the tertiary amine compound and carbon dioxide and the metal electrode. There is a problem that hydrogen proceeds easily. In particular, when the current density is increased in order to increase the reactivity, the tendency becomes remarkable, and the production efficiency of methanol from carbon dioxide is further reduced.
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、メタノールの生成効率の高い二酸化炭素還元電極及び二酸化炭素還元装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a background, and intends to provide a carbon dioxide reduction electrode and a carbon dioxide reduction device having high methanol production efficiency.
本発明の一態様は、三級アミン化合物からなる還元触媒を含む水溶液からなる電解液中で二酸化炭素を還元してメタノールを生成するために用いられる二酸化炭素還元電極であって、
該二酸化炭素還元電極は、導電性の基板と、該基板上に設けられた還元層とを有し、
該還元層は、表面に水酸基を有する金属酸化物、又は少なくともアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなることを特徴とする二酸化炭素還元電極。
One aspect of the present invention is a carbon dioxide reduction electrode used for reducing methanol to produce methanol in an electrolyte solution comprising an aqueous solution containing a reduction catalyst comprising a tertiary amine compound,
The carbon dioxide reduction electrode has a conductive substrate and a reduction layer provided on the substrate,
The reduction layer is made of a metal oxide having a hydroxyl group on the surface, or an oxide or alloy containing at least an alkali metal and / or an alkaline earth metal.
本発明の他の態様は、上記二酸化炭素還元電極と、酸化電極と、該酸化電極と上記二酸化炭素還元電極とが浸漬された上記電解液と、該電解液中において上記二酸化炭素還元電極と上記酸化電極とを隔てるイオン交換膜と、上記電解液に二酸化炭素を供給する供給口とを有することを特徴とする二酸化炭素還元装置にある。 In another aspect of the present invention, the carbon dioxide reduction electrode, the oxidation electrode, the electrolytic solution in which the oxidation electrode and the carbon dioxide reduction electrode are immersed, and the carbon dioxide reduction electrode and the above in the electrolytic solution. The carbon dioxide reduction device includes an ion exchange membrane that separates the oxidation electrode and a supply port that supplies carbon dioxide to the electrolytic solution.
上記二酸化炭素還元電極(以下、適宜「還元電極」という)は、表面に水酸基を有する金属酸化物、又はアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなる還元層を有している。このような還元層は、電解液中において三級アミン化合物と二酸化炭素とから生成される反応中間体との反応性が高い。そのため、メタノール生成効率の向上が可能になる。また、電流密度を高くしても、メタノールの生成効率を充分に高くすることができる。このメカニズムは次のようにして起こると考えられる。 The carbon dioxide reduction electrode (hereinafter referred to as “reduction electrode” as appropriate) has a reduction layer made of a metal oxide having a hydroxyl group on its surface or an oxide or alloy containing an alkali metal and / or an alkaline earth metal. Yes. Such a reducing layer has high reactivity with a reaction intermediate produced from a tertiary amine compound and carbon dioxide in the electrolytic solution. Therefore, the methanol production efficiency can be improved. Moreover, even if the current density is increased, the production efficiency of methanol can be sufficiently increased. This mechanism is thought to occur as follows.
即ち、還元層が表面に水酸化物を有する金属酸化物からなる場合には、電解液中で、負電荷に分極した反応中間体と水酸基とが入れ替わり、反応中間体と金属酸化物における金属との間で配位結合が形成される。また、還元層がアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなる場合には、イオン化傾向の高いアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属が電解液中で正電荷に分極し、負電荷に分極した反応中間体との間で配位結合が形成される。これらの配位結合の形成により、還元電極においては反応中間体からのメタノールの生成反応が進行し易くなり、上述のようにメタノールの生成効率が向上すると考えられる。 That is, when the reduction layer is made of a metal oxide having a hydroxide on the surface, the reaction intermediate polarized to a negative charge and the hydroxyl group are exchanged in the electrolytic solution, and the reaction intermediate and the metal in the metal oxide are exchanged. A coordination bond is formed between the two. Further, when the reducing layer is made of an oxide or alloy containing an alkali metal and / or alkaline earth metal, the alkali metal and / or alkaline earth metal having a high ionization tendency is polarized to a positive charge in the electrolyte, A coordination bond is formed with the reaction intermediate polarized to a negative charge. By forming these coordination bonds, it is considered that the production reaction of methanol from the reaction intermediate easily proceeds at the reduction electrode, and the production efficiency of methanol is improved as described above.
上記二酸化炭素還元装置(以下、適宜「還元装置」という)は、還元電極と、酸化電極と、電解液と、イオン交換膜と、二酸化炭素を供給する供給口とを有する。還元装置においては、上記供給口から供給された二酸化炭素と、上記電解液中に含まれる触媒とから反応中間体が生成される。この反応中間体が還元電極において還元されることにより、メタノールが生成される。還元電極は、上述のごとく反応中間体と配位結合を形成することができる還元層を有している。そのため、上記還元装置は、二酸化炭素の還元によるメタノールの生成効率が高い。 The carbon dioxide reduction device (hereinafter referred to as “reduction device” as appropriate) includes a reduction electrode, an oxidation electrode, an electrolytic solution, an ion exchange membrane, and a supply port for supplying carbon dioxide. In the reducing device, a reaction intermediate is generated from the carbon dioxide supplied from the supply port and the catalyst contained in the electrolytic solution. This reaction intermediate is reduced at the reduction electrode to produce methanol. The reduction electrode has a reduction layer that can form a coordinate bond with the reaction intermediate as described above. Therefore, the reducing device has high production efficiency of methanol by the reduction of carbon dioxide.
次に、還元電極及び還元装置の好ましい実施形態について説明する。
還元電極において、導電性の基板は、全体が導電性を有していても、表面が部分的に導電性を有していてもよい。具体的には、例えば導電性の層を有する基板を用いることができる。導電性の基板の材質は適宜選択できる。
Next, preferred embodiments of the reduction electrode and the reduction device will be described.
In the reduction electrode, the entire conductive substrate may have conductivity, or the surface may partially have conductivity. Specifically, for example, a substrate having a conductive layer can be used. The material of the conductive substrate can be selected as appropriate.
還元電極における還元層の厚みは適宜調整可能である。還元層の厚みは、例えば0.0005〜5mmの範囲にすることができる。還元層は、基板の表面の少なくとも一部に形成されていればよい。具体的には、例えば、還元層は、基板の片面又は両面に形成されていても、基板の全表面を覆うように形成されていてもよい。 The thickness of the reduction layer in the reduction electrode can be adjusted as appropriate. The thickness of the reducing layer can be, for example, in the range of 0.0005 to 5 mm. The reducing layer may be formed on at least a part of the surface of the substrate. Specifically, for example, the reducing layer may be formed on one side or both sides of the substrate, or may be formed so as to cover the entire surface of the substrate.
表面に水酸基を有する金属酸化物からなる還元層は、金属酸化物からなる還元層であって、その表面に水酸基を有する層である。表面に存在する水酸基は、大気中の水分等から形成されると考えられる。このような金属酸化物としては、例えばCuO、Ag2O、AgO、TiO2、SnO、ZnO、Fe2O3、CdO、NiO、In2O3、Au2O3、Ga2O3、Cu2O、MoO2等を用いることができる。 The reduction layer made of a metal oxide having a hydroxyl group on the surface is a reduction layer made of a metal oxide and having a hydroxyl group on the surface. It is considered that the hydroxyl group present on the surface is formed from moisture in the atmosphere. Examples of such metal oxides include CuO, Ag 2 O, AgO, TiO 2 , SnO, ZnO, Fe 2 O 3 , CdO, NiO, In 2 O 3 , Au 2 O 3 , Ga 2 O 3 , Cu. 2 O, MoO 2 or the like can be used.
少なくともアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなる還元電極としては、例えばアルカリ金属の酸化物、アルカリ金属を含む複合酸化物、アルカリ金属を含む合金、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属を含む複合酸化物、アルカリ土類金属を含む合金等を用いることができる。また、アルカリ金属とアルカリ土類金属とを含む複合酸化物、アルカリ金属とアルカリ土類金属とを含む合金等を用いることもできる。具体的には、例えばLi2CuO2、Cs2CuO2、CsAgO、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、Li2FePO4F、CaFeO、KAgO、Li4SiO2、Li2Cu等を用いることができる。 Examples of the reduction electrode made of an oxide or an alloy containing at least an alkali metal and / or an alkaline earth metal include, for example, an alkali metal oxide, a composite oxide containing an alkali metal, an alloy containing an alkali metal, and an oxidation of an alkaline earth metal. Products, composite oxides containing alkaline earth metals, alloys containing alkaline earth metals, and the like can be used. Alternatively, a composite oxide containing an alkali metal and an alkaline earth metal, an alloy containing an alkali metal and an alkaline earth metal, or the like can be used. Specifically, for example, Li 2 CuO 2 , Cs 2 CuO 2 , CsAgO, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , LiFePO 4 , Li 2 FePO 4 F, CaFeO, KAgO, Li 4 SiO 2 , Li 2 Cu Etc. can be used.
二酸化炭素の還元触媒としては、三級アミン化合物が用いられる。三級アミン化合物としては、例えば複素環アミンを用いることができる。複素環アミンは、単環であっても多環であってもよい。具体的には、ピリジン、イミダゾール、ピロール、ピラゾール、トリアゾール、ビピリジル等を用いることができる。また、これらの複素環アミンは、アルキル基、ヒドロキシル基、ハロゲン基、アミノ基、ヒドラジノ基等の置換基を有していてもよい。アルキル基等の炭化水素鎖を有する置換基の炭素数が大きくなると、立体障壁が大きくなり、三級アミンの二酸化炭素に対する触媒活性が低下するおそれがある。かかる観点からは、置換基の炭素数は5以下であることが好ましく、2以下であることがより好ましい。 A tertiary amine compound is used as a carbon dioxide reduction catalyst. As the tertiary amine compound, for example, a heterocyclic amine can be used. The heterocyclic amine may be monocyclic or polycyclic. Specifically, pyridine, imidazole, pyrrole, pyrazole, triazole, bipyridyl, and the like can be used. Moreover, these heterocyclic amines may have a substituent such as an alkyl group, a hydroxyl group, a halogen group, an amino group, or a hydrazino group. When the number of carbon atoms of a substituent having a hydrocarbon chain such as an alkyl group is increased, the steric barrier is increased, and the catalytic activity of tertiary amines against carbon dioxide may be reduced. From this viewpoint, the number of carbon atoms of the substituent is preferably 5 or less, and more preferably 2 or less.
還元装置において、酸化電極は還元電極の対極である。酸化電極としては、例えば貴金属等からなる電極を用いることができる。電解液としては、例えば上述の還元触媒を含有する水溶液を用いることができる。イオン交換膜としては、各種市販品を採用することができる。 In the reduction device, the oxidation electrode is the counter electrode of the reduction electrode. As the oxidation electrode, for example, an electrode made of a noble metal or the like can be used. As the electrolytic solution, for example, an aqueous solution containing the above-described reduction catalyst can be used. Various commercially available products can be used as the ion exchange membrane.
(実施例1)
次に、二酸化炭素還元電極及び二酸化炭素還元装置の実施例について図面を用いて説明する。図1に示すごとく、本例の還元電極1は、導電性の基板11と、この基板11上に設けられた還元層12とを有する。基板11は、石英ガラス基板111と、その表面に形成されたフッ素ドープ酸化スズ(FTO)膜112とからなる。還元層12は、導電性を有するFTO膜112上に形成されている。本例における還元層12は、CuOからなり、表面に水酸基を有している。
Example 1
Next, embodiments of the carbon dioxide reduction electrode and the carbon dioxide reduction device will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
本例の還元電極1の製造方法について説明する。まず、スキージ法により基板11上に還元層12を形成する。具体的には、まず、導電性の基板11として、FTO膜112が表面に形成された石英ガラス基板111を準備した(図2(a)、図3(a)参照)。基板11としては、名城科学工業(株)の製品を用いた。基板11において、FTO膜112は、石英ガラス基板111の片側面に積層されている。基板11の寸法は、縦30mm×横30mm×厚み1.8mmである。
A method for manufacturing the
次に、図2(b)、図3(b)に示すごとく、内部がくり抜かれた板状のスペーサ120を準備した。スペーサ120の外形寸法は基板11と同様に縦30mm×横30mmであり、内部空間の寸法は縦25mm×横25mmである。スペーサ120の厚みは1mmである。このスペーサ120を基板11のFTO膜111の形成面上に載置した。次いで、図2(c)、図3(c)に示すごとく、スキージ法により、スペーサ120の内部空間内にCuOペーストを塗布することにより、基板11のFTO膜111上にCuOペースト層121を形成した。CuOペーストとしては、エタノール500μl当たり中に含まれるCuO粉末(シグマアルドリッチ社製の試薬)の量が0.500mgとなる割合で配合されたペーストを用いた。
Next, as shown in FIGS. 2 (b) and 3 (b), a plate-
次いで、CuOペースト層121を温度50℃で1時間乾燥させた後、スペーサ120を取り外した。次いで、CuOペースト層121が積層された基板11を温度550℃で1時間焼成した。これにより、図2(d)、図3(d)に示すごとく、厚み0.02mmの還元層12を基板11上に形成した。この還元層12は、CuOからなり、表面に水酸基を有している。
Next, after the
なお、上述の例においては、スキージ法により、還元層12を作製したが、還元層12は、例えばスピンコータ法、電気泳動法、電析法等により作製することもできる。
In the above example, the reducing
次に、還元電極1を用いて還元装置を組み立てた。図4に示すごとく、還元装置6は、還元電極1と、酸化電極2と、触媒(ピリジン)を含有する電解液3と、イオン交換膜4(以下、適宜「膜4」という)と、CO2を供給するための供給口5とを有する。電解液3は、濃度0.01mol/Lのピリジン水溶液である。還元装置6においては、50mlの電解液3がケース60内に注入されている。ケース60は、(株)イーシーフロンティア製のH型セルVB−9である。即ち、ケース60は、H型であり、2つのケース601、602と両者を連結する連結部603とからなる。
Next, a reduction device was assembled using the
ケース601内には、還元電極1と、Ag/AgClからなる参照電極19とが挿入されている。還元電極1と参照電極19とは電気的に接続されている。一方、ケース602内には、還元電極1の対極である酸化電極2が挿入されている。酸化電極2は、Ptワイヤからなる。還元電極1は、ポテンショスタット69の正極に電気的に接続されており、酸化電極2は、ポテンショスタット69の負極に電気的に接続されている。連結部603には、膜4(シグマアルドリッチ社製のナフィオン117)が配置されている。膜4は、還元電極1と酸化電極2との間に存在し、電解液3を分離している。ケース60内において、還元電極1、参照電極19、酸化電極2、及び膜4は、電解液3中に浸されている。還元装置6においては、ケース601側が還元槽を構成し、ケース602側が酸化槽を構成している。
In the
各ケース601、602の開口部は、栓603、604により密閉されている。ケース601側の栓603には、二酸化炭素を供給する管50が挿入されている。この管50の供給口5から電解液3中に二酸化炭素(CO2)が供給される。
The openings of the
また、還元装置6は、図4に示すように、電流計71及び電圧計72を備える電気化学アナライザ7に電気的に接続されている。電気化学アナライザ7は、ビー・エー・エス(株)製のALSモデル660Eである。電流計71は、還元電極1と酸化電極2との間に接続されており、電圧計72は、還元電極1と参照電極19との間に接続されている。
Further, the reduction device 6 is electrically connected to an
次に、還元装置6を用いてCO2の還元を行い、メタノールの生成量の分析を行った。具体的には、図5に示すごとく、供給口5から還元装置6のケース601内(還元槽側)の電解液3中に、G1レベル、即ち純度99.99995vol%の炭酸ガス(CO2)を1時間吹き込んだ。炭酸ガスの流速は10ml/minである。次いで、ポテンショスタット69によって還元電極1に2Vの電圧を印加することにより、二酸化炭素の還元反応を実施した。還元反応中も10ml/minの流速で炭酸ガスを電解液3中に吹き込み続けた。この還元反応を2時間実施し、還元生成物であるメタノール(MeOH)、一酸化炭素(CO)、水素(H2)、メタン(CH4)、及びギ酸(HCOOH)の定量を行った。
Next, CO 2 was reduced using the reducing device 6 and the amount of methanol produced was analyzed. Specifically, as shown in FIG. 5, carbon dioxide gas (CO 2 ) having a G1 level, that is, a purity of 99.99995 vol%, from the
各還元生成物の定量は、次の装置及び条件により行った。
(1)メタノール
装置:ガスクロマトグラフィ(FID)((株)島津製作所製のGC−2014)
条件:70℃での定温測定
操作:還元反応後の電解液をシリンジにより装置に注入した。
Each reduction product was quantified by the following apparatus and conditions.
(1) Methanol apparatus: gas chromatography (FID) (GC-2014 manufactured by Shimadzu Corporation)
Condition: Constant temperature measurement at 70 ° C. Operation: The electrolytic solution after the reduction reaction was injected into the apparatus by a syringe.
(2)一酸化炭素、水素、メタン
装置:ガスクロマトグラフィ(TCD)(アジレント・テクノロジー(株)製のアジレント 7890A)
条件:初期温度60℃から20℃/minの昇温速度で温度180℃まで昇温
操作:還元反応後のケース内のガスをシリンジにより装置に注入した。
(2) Carbon monoxide, hydrogen, methane Apparatus: Gas chromatography (TCD) (Agilent 7890A manufactured by Agilent Technologies)
Conditions: The initial temperature was increased from 60 ° C. to a temperature of 180 ° C. at a temperature increase rate of 20 ° C./min. Operation: The gas in the case after the reduction reaction was injected into the apparatus by a syringe.
(3)ギ酸
装置:イオンクロマトグラフィ(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製のDionex IC20)
条件:炭酸ナトリウム/炭酸水素ナトリウム電離液により分離・抽出
操作:反応後の電解液をシリンジにより装置に注入した。
(3) Formic acid apparatus: ion chromatography (Dionex IC20 manufactured by Thermo Fisher Scientific)
Condition: Separation / extraction with sodium carbonate / sodium bicarbonate ionization liquid Operation: The electrolytic solution after the reaction was injected into the apparatus with a syringe.
上述の(1)に示すガスクロマトグラフィによって測定されるメタノールの生成量を後述の表1に示す。また、(1)〜(3)の方法によって測定される各還元生成物の生成量から、下記の式(α)に基づいて、メタノール生成の選択性Sを算出した。その結果を後述の表1に示す。なお、式(α)において、Aはメタノールの生成量(mol)であり、Bは一酸化炭素の生成量(mol)であり、Cは水素の生成量(mol)であり、Dはメタンの生成量(mol)であり、Eはギ酸の生成量(mol)である。
S(%)=100×A/(A+B+C+D+E)・・・(α)
The amount of methanol produced measured by the gas chromatography shown in (1) above is shown in Table 1 described later. Moreover, the selectivity S of methanol production was calculated from the production amount of each reduction product measured by the methods (1) to (3) based on the following formula (α). The results are shown in Table 1 below. In formula (α), A is the amount of methanol produced (mol), B is the amount of carbon monoxide produced (mol), C is the amount of hydrogen produced (mol), and D is the amount of methane. A production amount (mol), and E is a production amount (mol) of formic acid.
S (%) = 100 × A / (A + B + C + D + E) (α)
(実施例2〜7)
次に、還元層12の組成が実施例1とは異なる複数の還元電極1を作製した(図1参照)。なお、後述の実施例2〜7において、実施例1と同じ符号は、実施例1と同様の構成要素等を示すものであって、先行する説明を参照する。
(Examples 2 to 7)
Next, a plurality of
実施例2の還元電極1は、還元層12がAg2Oからなり、その他の構成は実施例1と同様である。実施例2の還元電極1は、上述の実施例1におけるCuO粉末の代わりにAg2O粉末(シグマアルドリッチ社製の試薬)を用いた点を除いては実施例1と同様にして作製した。
In the
実施例3の還元電極1は、還元層12がLi2CuO2からなり、その他の構成は実施例1と同様である。実施例3の還元電極1は、上述の実施例1におけるCuO粉末の代わりにLi2CuO2粉末を用いた点を除いては実施例1と同様にして作製した。Li2CuO2粉末は、次のようにして調整した。具体的には、まず、乳鉢を用いてLi2CO3粉末とCuO粉末とを等モルずつ混合した。混合粉をアルミナ容器に移し、温度685℃で24時間焼成した。次いで、焼成後に得られる焼結体を乳鉢中で粉砕することにより、上述のLi2CuO2粉末を得た。
In the
実施例4の還元電極1は、還元層12がLi2Cuからなり、その他の構成は実施例1と同様である。実施例4の還元電極は、図5に示す電気化学セル8により、上述の実施例3の還元電極1におけるLi2CuO2からなる還元層12を還元することにより作製した。まず、以下のようにして電気化学セル8を構築した。図5に示すごとく、まず、実施例3の還元電極1と、導電性の基板11とをケース80内の電解液800中に浸漬した。ケース80内は、栓801により密閉されている。導電性の基板11は、実施例1と同様のFTO膜112が表面に形成された石英ガラス基板111である。電解液800は、濃度0.1mol/LのNa2SO4水溶液である。還元電極1は、ポテンショスタット81の正極に電気的に接続されており、基板11は、ポテンショスタット81の負極に電気的に接続されている。また、ケース80内には、Ag/AgClからなる参照電極19が挿入されており、電圧計72が還元電極1と参照電極19との間に接続されている。また、還元電極1と基板11との間を流れる電流値を計測するための電流計71が設けられている。また、電気化学セル8には、還元電極1の還元層12に光851を照射するための光源85が設けられている。
In the
このような構成の電気化学セル8の還元電極1に2Vの電圧を印加しながら、還元層12に光851を照射した。光851の波長は365nmで、強度は10mW/cm2である。この電圧の印加と光の照射により、Li2CuO2からなる還元層12を還元し、Li2Cuからなる還元層を生成させた。このようにして、実施例4の還元電極を作製した。
While applying a voltage of 2 V to the reducing
実施例5の還元電極1は、還元層12がCs2CuO2からなり、その他の構成は実施例1と同様である。実施例5の還元電極1は、上述の実施例1におけるCuO粉末の代わりにCs2CuO2粉末を用いた点を除いては実施例1と同様にして作製した。Cs2CuO2粉末は、次のようにして調整した。具体的には、まず、乳鉢を用いてCs2CO3粉末とCuO粉末とを等モルずつ混合した。混合粉をアルミナ容器に移し、温度500℃で10時間焼成した。次いで、焼成後に得られる焼結体を乳鉢中で粉砕することにより、上述のCs2CuO2粉末を得た。
In the
実施例6の還元電極1は、還元層12がCsAgOからなり、その他の構成は実施例1と同様である。実施例6の還元電極1は、上述の実施例1におけるCuO粉末の代わりにCsAgO粉末を用いた点を除いては実施例1と同様にして作製した。CsAgO粉末は、次のようにして調整した。具体的には、まず、乳鉢を用いてCs2CO3粉末とAg2O粉末とを等モルずつ混合した。混合粉をアルミナ容器に移し、温度500℃で10時間焼成した。次いで、焼成後に得られる焼結体を乳鉢中で粉砕することにより、上述のCsAgO粉末を得た。
In the
実施例7の還元電極1は、還元層12がCaFeOからなり、その他の構成は実施例1と同様である。実施例7の還元電極1は、上述の実施例1におけるCuO粉末の代わりにCaFeO粉末を用いた点を除いては実施例1と同様にして作製した。CaFeO粉末は、次のようにして調整した。具体的には、まず、無水酢酸カルシウム((CH3CO2)2Ca・H2O)と硝酸鉄(Fe(NO3)3)とを等モルで水中に溶解させた。次いで、溶液中に分子量600のポリエチレングリコール(PEG)を入れた後、溶液を温度120℃で撹拌しながら乾燥させて水分を飛ばした。得られた固形分を温度450℃で2時間焼成した後、さらに温度1050℃で10時間焼成した。次いで、焼成後に得られる焼結体を乳鉢中で粉砕することにより、上述のCaFeO粉末を得た。
In the
上記のようにして得られた実施例1〜実施例7の還元電極1をそれぞれ用いて実施例1の同様の構成の還元装置6を作製した(図4参照)。そして、実施例1と同様にして各還元装置を用いてCO2の還元を行い、メタノールの生成量、及びメタノール生成の選択性を調べた。その結果を後述の表1に示す。
Using the
(比較例1〜4)
次に、実施例1〜実施例7の比較用として4種類の金属電極からなる還元電極を作製した。比較例1の還元電極はPtからなる。比較例2の還元電極はCuからなる。比較例3の還元電極はAgからなる。比較例4の還元電極はTiからなる。また、各比較例の還元電極を用いて実施例1と同様の構成の還元装置を作製した。そして、実施例1と同様にして各還元装置を用いてCO2の還元を行い、メタノールの生成量、及びメタノール生成の選択性を調べた。その結果を後述の表1に示す。
(Comparative Examples 1-4)
Next, a reduction electrode composed of four types of metal electrodes was prepared for comparison with Examples 1 to 7. The reduction electrode of Comparative Example 1 is made of Pt. The reduction electrode of Comparative Example 2 is made of Cu. The reduction electrode of Comparative Example 3 is made of Ag. The reduction electrode of Comparative Example 4 is made of Ti. Moreover, the reduction apparatus of the structure similar to Example 1 was produced using the reduction electrode of each comparative example. Then, CO 2 was reduced using each reducing device in the same manner as in Example 1, and the amount of methanol produced and the selectivity of methanol production were examined. The results are shown in Table 1 below.
(実施例1〜7と比較例1〜4との比較)
各実施例1〜7及び比較例1〜4におけるメタノールの生成量、及びメタノール生成の選択性は、次の表に示す通りである。
(Comparison between Examples 1-7 and Comparative Examples 1-4)
The production amounts of methanol and the selectivity of methanol production in each of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 are as shown in the following table.
表1より知られるように、実施例の還元電極1を用いた電極装置6においては、CO2の還元生成物であるメタノールの生成量が高く、さらにメタノールの選択性も高い。これに対し、比較例の還元電極を用いた還元装置においては、メタノールの生成量が低かったり、選択性が低くなっていた。即ち、実施例のように、表面に水酸基を有する金属酸化物、又は少なくともアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなる還元層12を有する還元電極1を用いることにより、メタノールの生成効率を充分に高められることがわかる。このメカニズムについて、図6及び図7を用いて考察する。
As can be seen from Table 1, in the electrode device 6 using the
即ち、実施例1及び実施例2のように、還元層12が表面に水酸化物を有する金属酸化物からなる場合には、図6(a)に示されるように、電解液中で、負電荷に分極した反応中間体31と、還元層12の表面に存在する水酸基とが入れ替わる。これにより、反応中間体31と、還元層12内の金属酸化物において正電荷に分極にした金属Mとの間で配位結合が形成される。その結果、反応中間体31と還元層12との間に結合が形成されるため、反応中間体31の還元が起こり易くなり、メタノールの生成効率が高くなると考えられる。
That is, as in Example 1 and Example 2, when the reducing
また、実施例3〜実施例7のように、還元層12がアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなる場合には、図6(b)に示されるように、イオン化傾向の高いLi、Cs等のアルカリ金属及び/又はCa等のアルカリ土類金属が電解液中で正電荷に分極し、負電荷に分極した反応中間体31と配位結合が形成される。図6(b)においては、アルカリ金属であるLiを例にしてこの配位結合の形成される様子を図示しているが、Cs等の他のアルカリ金属や、Ca等の他のアルカリ土類金属についても同様である。これらの配位結合の形成により、還元層12においては反応中間体31からのメタノールの生成反応が進行し易くなり、上述のようにメタノールの生成効率が高くなると考えられる。
Further, when the reducing
一方、比較例1〜4のように、Ptなどの金属からなる還元電極9の場合には、図7に示すごとく、還元電極9を構成する金属Mと反応中間体31とが引きつけ合い難い。そのため、反応中間体31と還元電極9との反応性よりも電解液中の水素イオンと還元電極9との反応性の方が高くなり、反応中間体31からのメタノールの生成よりも水の電気分解が進行し易く、水素が発生し易い。 On the other hand, in the case of the reduction electrode 9 made of a metal such as Pt as in Comparative Examples 1 to 4, it is difficult for the metal M constituting the reduction electrode 9 and the reaction intermediate 31 to attract each other as shown in FIG. Therefore, the reactivity between the hydrogen ions in the electrolytic solution and the reduction electrode 9 is higher than the reactivity between the reaction intermediate 31 and the reduction electrode 9, and the electricity of water is higher than the production of methanol from the reaction intermediate 31. Decomposition proceeds easily and hydrogen is easily generated.
以上のように、実施例のように表面に水酸基を有する金属酸化物、又は少なくともアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなる還元層12を有する還元電極1を用いることにより、メタノールの生成効率を充分に高められる。
As described above, by using the
また、実施例1及び実施例2のように、還元層12を構成する金属酸化物は、CuO又はAg2Oであることが好ましい。この場合には、上述の表1に示すように、メタノールの生成効率を確実に高めることができる。
Moreover, as in Example 1 and Example 2, the metal oxide constituting the
また、実施例3〜実施例7のように、アルカリ金属はLi及び/又はCsであり、アルカリ土類金属はCaであることが好ましい。さらに、還元層12は、Li2CuO2、Li2Cu、Cs2CuO2、CsAgO、又はCaFeOからなることがより好ましい。これらの場合には、上述の表1に示すように、メタノールの生成効率を確実に高めることができる。また、メタノールの生成効率をより高めるという観点からは、還元層12は、Li2CuO2、又はLi2Cuからなることがさらにより好ましい(表1参照)。
Further, as in Examples 3 to 7, the alkali metal is preferably Li and / or Cs, and the alkaline earth metal is preferably Ca. Furthermore, the
また、本例においては、二酸化炭素を還元するための還元触媒として、ピリジンを用いた例について説明した。しかし、上述のメカニズムに基づけば、ピリジンだけでなく、他の三級アミン化合物を触媒に用いてもピリジンの場合と同様の反応中間体31が生成され、この反応中間体31と還元層12との反応性が高められることがわかる(図6参照)。したがって、還元触媒としては、各種三級アミン化合物を用いることが可能である。 In the present example, an example in which pyridine is used as a reduction catalyst for reducing carbon dioxide has been described. However, based on the above-mentioned mechanism, not only pyridine but also another tertiary amine compound is used as a catalyst, the same reaction intermediate 31 as in the case of pyridine is produced. It can be seen that the reactivity of is improved (see FIG. 6). Therefore, various tertiary amine compounds can be used as the reduction catalyst.
三級アミン化合物は、複素環アミンであることが好ましく、ピリジン又はピリジン誘導体であることより好ましい。この場合には、上述の表1に示すように、メタノールの生成効率を確実に高めることができる。 The tertiary amine compound is preferably a heterocyclic amine, and more preferably pyridine or a pyridine derivative. In this case, as shown in Table 1 above, the production efficiency of methanol can be reliably increased.
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said Example, A various change is possible within the range which does not impair the meaning of this invention.
1 二酸化炭素還元電極
11 導電性の基板
12 還元層
2 酸化電極
3 電解液
6 二酸化炭素還元装置
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該二酸化炭素還元電極(1)は、導電性の基板(11)と、該基板(11)上に設けられた還元層(12)とを有し、
該還元層(12)は、表面に水酸基を有する金属酸化物、又は少なくともアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属を含む酸化物又は合金からなることを特徴とする二酸化炭素還元電極(1)。 A carbon dioxide reduction electrode (1) used for producing methanol by reducing carbon dioxide in an electrolyte solution (3) comprising an aqueous solution containing a reduction catalyst comprising a tertiary amine compound,
The carbon dioxide reduction electrode (1) has a conductive substrate (11) and a reduction layer (12) provided on the substrate (11),
The carbon dioxide reduction electrode (1), wherein the reduction layer (12) comprises a metal oxide having a hydroxyl group on the surface, or an oxide or alloy containing at least an alkali metal and / or an alkaline earth metal.
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