JP2017125242A - Electrode for reductive reaction and reaction device prepared therewith - Google Patents

Electrode for reductive reaction and reaction device prepared therewith Download PDF

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Shunsuke Sato
俊介 佐藤
恵子 上村
Keiko Kamimura
恵子 上村
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Takeo Arai
健男 荒井
森川 健志
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健志 森川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a reductive reaction that efficiently reduces a carbon compound while preventing the generation of hydrogen due to a side reaction.SOLUTION: An electrode for a reductive reaction 100 comprises a substrate 10 comprising a metal or a semiconductor, a carbon layer 12 that covers at least partially the surface of the substrate 10 and is made of a carbon material with the size of its individual structural unit being 1 μm or less, and a complex catalyst layer 14 that covers the surface of the carbon layer 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、カーボン材料を用いた還元反応用電極及びそれを用いた反応デバイスに関する。   The present invention relates to a reduction reaction electrode using a carbon material and a reaction device using the same.

半導体を光吸収体とし、金属錯体(ポリマー膜を含む)を二酸化炭素還元触媒として、半導体から金属錯体へ励起電子が移動することによって反応が進行する二酸化炭素還元デバイス、及び水を酸化する半導体触媒と組み合わせることで水を電子源とした二酸化炭素還元反応を起こす光化学反応デバイスに関する発明が開示されている(特許文献1〜3)。   Carbon dioxide reduction device in which reaction proceeds by exciton transfer from semiconductor to metal complex using semiconductor as light absorber, metal complex (including polymer film) as carbon dioxide reduction catalyst, and semiconductor catalyst to oxidize water The invention regarding the photochemical reaction device which causes the carbon dioxide reduction reaction which used water as the electron source by combining with is disclosed (patent documents 1-3).

特開2010−64066号公報JP 2010-64066 A 特開2011−82144号公報JP 2011-82144 A 特開2011−94194号公報JP 2011-94194 A

ところで、金属や半導体に金属錯体を直接接合した還元電極を用いた場合、副反応である水素の発生が促進されてしまい、二酸化炭素の還元反応が十分に得られない場合があった。   By the way, when a reduction electrode in which a metal complex is directly bonded to a metal or semiconductor is used, generation of hydrogen as a side reaction is promoted, and a carbon dioxide reduction reaction may not be sufficiently obtained.

本発明の1つの態様は、金属又は半導体を含む基板と、前記基板の表面の少なくとも一部を覆い、構造体単体のサイズが1μm以下のカーボン材料からなるカーボン層と、前記カーボン層の表面を覆う錯体触媒層と、を備えることを特徴とする還元反応用電極である。   One embodiment of the present invention includes a substrate containing a metal or a semiconductor, a carbon layer that covers at least a part of the surface of the substrate, and a carbon material made of a carbon material having a structure body size of 1 μm or less, and a surface of the carbon layer. An electrode for reduction reaction, comprising a covering complex catalyst layer.

ここで、前記カーボン材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン及びグラファイトの少なくとも1つを含むことが好適である。   Here, it is preferable that the carbon material includes at least one of carbon nanotubes, graphene, and graphite.

また、前記基板は、ステンレス鋼材、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)及び酸化チタン(TiO)の少なくとも1つを含むことが好適である。 The substrate preferably includes at least one of a stainless steel material, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and titanium oxide (TiO 2 ).

また、前記錯体触媒層は、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)FeCl・pyrrol]を含むことが好適である。 The complex catalyst layer may include [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) FeCl 3 · pyrrol]. Is preferred.

また、本発明の別の態様は、上記還元反応用電極と、水を酸化して酸素を発生する酸化反応用電極と、を備え、これらを電気化学的に接続して構成され、前記錯体触媒層が水を含む液に直接触れる状態において電気エネルギーを利用して炭素化合物を還元することを特徴とする反応デバイスである。   Another aspect of the present invention includes the above-described reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode that oxidizes water to generate oxygen, and is configured by electrochemically connecting them. The reaction device is characterized in that the carbon compound is reduced using electric energy in a state where the layer is in direct contact with a liquid containing water.

本発明によれば、副反応による水素の発生を抑制しつつ炭素化合物を効率的に還元する還元反応用電極及びそれを用いた反応デバイスを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode for reduction reaction which reduces a carbon compound efficiently, suppressing the generation | occurrence | production of hydrogen by a side reaction, and the reaction device using the same can be provided.

本発明の実施の形態における還元反応用電極の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode for reduction reaction in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the reaction device in embodiment of this invention. 比較例7における還元反応用電極の構成を示す図である。10 is a diagram illustrating a configuration of a reduction reaction electrode in Comparative Example 7. FIG.

[還元反応用電極]
図1は、実施形態に関わる還元反応用電極100を示す。還元反応用電極100に電圧が印加されると、基板10に生じた電子がカーボン層12を介して錯体触媒層14に渡され、錯体触媒層14における還元触媒反応に利用される。図1では、二酸化炭素(CO)がギ酸(HCOOH)に還元される態様が示されている。
[Reduction reaction electrode]
FIG. 1 shows a reduction reaction electrode 100 according to the embodiment. When a voltage is applied to the reduction reaction electrode 100, electrons generated on the substrate 10 are transferred to the complex catalyst layer 14 through the carbon layer 12 and used for the reduction catalyst reaction in the complex catalyst layer 14. FIG. 1 shows an embodiment in which carbon dioxide (CO 2 ) is reduced to formic acid (HCOOH).

基板10は、金属又は半導体を含んで構成される。基板10として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)を含むことが好適である。基板10として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、酸化チタン(TiO)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta)等とすることが好適である。 The substrate 10 includes a metal or a semiconductor. The metal used as the substrate 10 is not particularly limited, but silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd), tin (Sn) ), Palladium (Pd), and lead (Pb). The semiconductor used as the substrate 10 is not particularly limited, but titanium oxide (TiO 2 ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), tantalum oxide (Ta 2 O 5). ) Etc. are suitable.

カーボン層12は、カーボン材料(C)を含むものであればよいが、カーボン材料の構造体の単体のサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボン層12は、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン及びグラファイトの少なくとも1つを含むことが好適である。グラフェン及びグラファイトであればサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が1nm以上40nm以下であることが好適である。   The carbon layer 12 only needs to contain the carbon material (C), but it is preferable that the size of the carbon material structure is 1 nm or more and 1 μm or less. The carbon layer 12 preferably includes, for example, at least one of carbon nanotubes, graphene, and graphite. In the case of graphene and graphite, the size is preferably 1 nm or more and 1 μm or less. If it is a carbon nanotube, it is suitable that a diameter is 1 nm or more and 40 nm or less.

カーボン層12は、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで基板10上に塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって基板10上に塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、基板10上に直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。   The carbon layer 12 can be formed by applying a carbon material mixed with a liquid such as ethanol onto the substrate 10 by spraying and heating. Instead of spraying, it may be applied onto the substrate 10 by spin coating. Alternatively, the solution may be dropped directly onto the substrate 10 and dried without using spin coating.

錯体触媒層14は、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒層14は、例えば、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]、Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)Cl]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(CHCN)Cl]等とすることができる。 The complex catalyst layer 14 is preferably a ruthenium complex. The complex catalyst layer 14 is formed, for example, by [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl 2 ], Ru {4,4 '-Di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2'-bipyridine "(CO) 2 Cl 2 ], [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolocarbonate) -2 , 2′-bipyridine} (CO) 2 ] n , [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (CH 3 CN) Cl 2 ] Or the like.

錯体触媒層14による修飾は、錯体をMeCN溶液に溶解した液をカーボン層12の上に塗布することで作ることができる。また、錯体触媒層14による修飾は、電解重合法により行うこともできる。作用極としてカーボン層12を形成した基板10の電極、対極にフッ素含有酸化スズ(FTO)で被覆したガラス基板、参照電極にAg/Ag電極を用い、錯体触媒を含む電解液中においてAg/Ag電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ag/Ag電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことによりカーボン層12を形成した基板10上を錯体触媒層14で修飾することができる。電解質の溶液には、アセトニトリル(MeCN)、電解質には、Tetrabutylammoniumperchlorate(TBAP)を用いることができる。 The modification by the complex catalyst layer 14 can be made by applying a solution in which the complex is dissolved in the MeCN solution on the carbon layer 12. The modification with the complex catalyst layer 14 can also be performed by an electrolytic polymerization method. An electrode of the substrate 10 on which the carbon layer 12 is formed as a working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) on the counter electrode, an Ag / Ag + electrode on the reference electrode, and Ag / Ag in an electrolyte containing a complex catalyst. A cathode current is applied to the Ag + electrode so as to be a negative voltage, and then an anode current is supplied to the Ag / Ag + electrode so as to be a positive potential, whereby a complex is formed on the substrate 10 on which the carbon layer 12 is formed. The catalyst layer 14 can be modified. Acetonitrile (MeCN) can be used for the electrolyte solution, and Tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) can be used for the electrolyte.

このような方法を用いることによって、基板10の表面をカーボン層12によって効果的に被覆することができ、基板10で発生した電子をカーボン層12を介して錯体触媒層14へ効率的に受け渡すことができる。これにより、還元反応を生じさせる際の副反応である水素の発生を抑制することができ、炭素化合物を錯体触媒層14の表面において効率的に還元する還元反応用電極100を実現することができる。   By using such a method, the surface of the substrate 10 can be effectively covered with the carbon layer 12, and electrons generated on the substrate 10 are efficiently transferred to the complex catalyst layer 14 via the carbon layer 12. be able to. Thereby, generation | occurrence | production of hydrogen which is a side reaction at the time of producing a reductive reaction can be suppressed, and the electrode 100 for reductive reaction which reduces a carbon compound efficiently on the surface of the complex catalyst layer 14 is realizable. .

[酸化反応用電極]
酸化反応用電極102は、水の酸化反応を生起する材料を含んで構成される。酸化反応用電極102は、例えば、白金電極(Pt)、フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上に酸化イリジウム(IrOx:x=1〜2)を修飾させた電極、フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上に酸化タングステン(WO)、バナジン酸ビスマス(BiVO)、酸化鉄(Fe)、タンタルオキシナイトライド(TaON)を積層させた電極のいずれかとすることが好適である。
[Oxidation reaction electrode]
The oxidation reaction electrode 102 includes a material that causes an oxidation reaction of water. The oxidation reaction electrode 102 is, for example, a platinum electrode (Pt), an electrode obtained by modifying iridium oxide (IrOx: x = 1 to 2) on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate, or a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate. It is preferable to use any of the electrodes on which tungsten oxide (WO 3 ), bismuth vanadate (BiVO 4 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), and tantalum oxynitride (TaON) are stacked.

[反応デバイス]
反応デバイスは、図2に示すように、還元反応用電極100、酸化反応用電極102及び参照電極104を組み合わせて構成される。例えば、還元反応用電極100、酸化反応用電極102及び参照電極104を炭素化合物が溶解された水中に浸漬し、還元反応用電極100と参照電極104との間に適切なバイアス電圧を印加した状態において機能する。これによって、上述したように、還元反応用電極100の錯体触媒層14における還元触媒反応によって、水中の炭素化合物が還元される。例えば、炭素化合物が二酸化炭素(CO)である場合、還元反応によりギ酸(HCOOH)等が生成される。なお、錯体触媒層14を選択し、適正な環境で触媒反応を生起することで、ギ酸に限らず、アルコールなどの有用な有機物を二酸化炭素から合成することも可能である。また、酸化反応用電極102において、水が酸素ガスに酸化される。
[Reaction device]
As shown in FIG. 2, the reaction device is configured by combining a reduction reaction electrode 100, an oxidation reaction electrode 102, and a reference electrode 104. For example, the reduction reaction electrode 100, the oxidation reaction electrode 102, and the reference electrode 104 are immersed in water in which a carbon compound is dissolved, and an appropriate bias voltage is applied between the reduction reaction electrode 100 and the reference electrode 104. Works in Thereby, as described above, the carbon compound in the water is reduced by the reduction catalytic reaction in the complex catalyst layer 14 of the reduction reaction electrode 100. For example, when the carbon compound is carbon dioxide (CO 2 ), formic acid (HCOOH) or the like is generated by the reduction reaction. In addition, by selecting the complex catalyst layer 14 and causing a catalytic reaction in an appropriate environment, it is possible to synthesize not only formic acid but also useful organic substances such as alcohol from carbon dioxide. Further, water is oxidized into oxygen gas in the oxidation reaction electrode 102.

このように、本実施形態によれば、電気エネルギーを利用して、炭素化合物をより有用な炭素化合物に変換することができる。また、電気エネルギーを新たに生成される炭素化合物に貯蔵することができる。   Thus, according to this embodiment, a carbon compound can be converted into a more useful carbon compound using electric energy. Moreover, electric energy can be stored in the newly generated carbon compound.

特に、水を電子供与剤として二酸化炭素を還元でき、副反応である水素の発生を抑制することができるため、炭素化合物の還元反応の効率を向上させることができる。すなわち、還元反応用電極100におけるカーボン層12の疎水性により、基板10である金属又は半導体に対して無極性の炭素化合物(例えば、二酸化炭素)が近づきやすく、極性分子である水やプロトンが近づきにくい状態とすることができる。これによって、特に、低い印加電圧下において、副反応である水素の還元を抑制することができ、炭素化合物の還元反応をより進行し易くし、炭素化合物の還元効率を向上させることができる。   In particular, carbon dioxide can be reduced using water as an electron donor, and generation of hydrogen as a side reaction can be suppressed. Therefore, the efficiency of the reduction reaction of the carbon compound can be improved. That is, due to the hydrophobicity of the carbon layer 12 in the reduction reaction electrode 100, a nonpolar carbon compound (for example, carbon dioxide) easily approaches the metal or semiconductor that is the substrate 10, and water and protons that are polar molecules approach. It can be difficult. This makes it possible to suppress the reduction of hydrogen, which is a side reaction, particularly under a low applied voltage, to facilitate the reduction reaction of the carbon compound, and to improve the reduction efficiency of the carbon compound.

[測定システム]
光電気化学測定には電気化学アナライザー(ALS610)を使用し、三電極方式で測定を行った。三電極方式では、容器にはパイレックス(登録商標)セルを用い、セル内に電解液を満たして、電解液中に作用極として還元反応用電極100、酸化反応用電極102として白金電極、参照電極104としてHg/HgSOを配置した。光電気化学測定に伴う生成物の評価には、イオンクロマトグラフ(DIONEX、ICS−2000オートサンプラーAS付)及びガスクロマトグラフ(島津GC−2014)を使用した。
[Measurement system]
The electrochemical analyzer (ALS610) was used for the photoelectrochemical measurement, and the measurement was performed by the three-electrode method. In the three-electrode system, a Pyrex (registered trademark) cell is used for the container, and the cell is filled with an electrolytic solution, and the electrolytic solution in the electrolytic solution is a reduction reaction electrode 100, an oxidation reaction electrode 102 is a platinum electrode, and a reference electrode Hg / Hg 2 SO 4 was arranged as 104. For the evaluation of the products accompanying the photoelectrochemical measurement, an ion chromatograph (DIONEX, with ICS-2000 autosampler AS) and a gas chromatograph (Shimadzu GC-2014) were used.

「実施例1」
市販のステンレス鋼材(SUS)を基板10として、基板10の上部をマスキングした後に、カーボンナノチューブをエタノールに混在させて約2mg/cmの密度でスプレーして塗布し、350℃で加熱してカーボン層12を形成した。その後、マスキング面に銅線を接続し、ガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止した。さらに、カーボン層12を塗布した面上に錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄して還元反応用電極100を形成した。酸化反応用電極102として白金電極、参照電極104としてHg/HgSOを用いた。
"Example 1"
Using a commercially available stainless steel (SUS) as a substrate 10 and masking the upper portion of the substrate 10, carbon nanotubes are mixed in ethanol and sprayed at a density of about 2 mg / cm 2 and heated at 350 ° C. for carbon. Layer 12 was formed. Thereafter, a copper wire was connected to the masking surface, attached to a glass substrate, and the periphery was sealed with silicon rubber. Furthermore, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl as a complex catalyst layer 14 on the surface coated with the carbon layer 12. 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then washed with water to form a reduction reaction electrode 100. A platinum electrode was used as the oxidation reaction electrode 102, and Hg / Hg 2 SO 4 was used as the reference electrode 104.

電解液には、0.1Mのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。実験は、印加電圧が−1.4Vの状態で、電流−時間測定を行った。 A 0.1 M phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used as the electrolytic solution, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. In the experiment, current-time measurement was performed in a state where the applied voltage was -1.4V.

「比較例1」
実施例1の構成において、カーボン層12を形成せずに同様の実験を行った。
"Comparative Example 1"
In the configuration of Example 1, the same experiment was performed without forming the carbon layer 12.

「比較例2」
実施例1の構成において、錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを形成せずに同様の実験を行った。
"Comparative Example 2"
In the configuration of Example 1, as the complex catalyst layer 14, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl 2 ] FeCl 3 A similar experiment was conducted without forming a pyrol.

「実施例2」
市販の金(Au)ホイルを基板10として、基板10の上部をマスキングした後に、カーボンナノチューブをエタノールに混在させて約2mg/cmの密度でスプレーして塗布し、350℃で加熱してカーボン層12を形成した。その後、マスキング面に銅線を接続し、ガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止した。さらに、カーボン層12を塗布した面上に錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄して還元反応用電極100を形成した。酸化反応用電極102として白金電極、参照電極104としてHg/HgSOを用いた。
"Example 2"
A commercially available gold (Au) foil is used as the substrate 10 and the upper portion of the substrate 10 is masked. Then, carbon nanotubes are mixed in ethanol and sprayed at a density of about 2 mg / cm 2 and heated at 350 ° C. Layer 12 was formed. Thereafter, a copper wire was connected to the masking surface, attached to a glass substrate, and the periphery was sealed with silicon rubber. Furthermore, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl as a complex catalyst layer 14 on the surface coated with the carbon layer 12. 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then washed with water to form a reduction reaction electrode 100. A platinum electrode was used as the oxidation reaction electrode 102, and Hg / Hg 2 SO 4 was used as the reference electrode 104.

電解液には、0.1Mのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。実験は、印加電圧が−1.4Vの状態で、電流−時間測定を行った。 A 0.1 M phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used as the electrolytic solution, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. In the experiment, current-time measurement was performed in a state where the applied voltage was -1.4V.

「比較例3」
実施例2の構成において、カーボン層12を形成せずに同様の実験を行った。
“Comparative Example 3”
In the configuration of Example 2, the same experiment was performed without forming the carbon layer 12.

「比較例4」
実施例2の構成において、錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを形成せずに同様の実験を行った。
“Comparative Example 4”
In the structure of Example 2, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl 2 ] FeCl 3 as the complex catalyst layer 14. A similar experiment was conducted without forming a pyrol.

「実施例3」
ITO上にスパッタリングで形成した酸化チタン(TiO)を基板10として、基板10の上部をマスキングした後に、カーボンナノチューブをエタノールに混在させて約2mg/cmの密度でスプレーして塗布し、350℃で加熱してカーボン層12を形成した。その後、マスキング面に銅線を接続し、ガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止した。さらに、カーボン層12を塗布した面上に錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄して還元反応用電極100を形成した。酸化反応用電極102として白金電極、参照電極104としてHg/HgSOを用いた。
"Example 3"
Using titanium oxide (TiO 2 ) formed by sputtering on ITO as a substrate 10 and masking the upper portion of the substrate 10, carbon nanotubes are mixed in ethanol and sprayed at a density of about 2 mg / cm 2 and applied. The carbon layer 12 was formed by heating at 0 ° C. Thereafter, a copper wire was connected to the masking surface, attached to a glass substrate, and the periphery was sealed with silicon rubber. Furthermore, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl as a complex catalyst layer 14 on the surface coated with the carbon layer 12. 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then washed with water to form a reduction reaction electrode 100. A platinum electrode was used as the oxidation reaction electrode 102, and Hg / Hg 2 SO 4 was used as the reference electrode 104.

電解液には、0.1Mのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。実験は、印加電圧が−1.4Vの状態で、電流−時間測定を行った。 A 0.1 M phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used as the electrolytic solution, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. In the experiment, current-time measurement was performed in a state where the applied voltage was -1.4V.

「比較例5」
実施例3の構成において、カーボン層12を形成せずに同様の実験を行った。
“Comparative Example 5”
In the configuration of Example 3, the same experiment was performed without forming the carbon layer 12.

「比較例6」
実施例3の構成において、錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを形成せずに同様の実験を行った。
“Comparative Example 6”
In the structure of Example 3, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl 2 ] FeCl 3 as the complex catalyst layer 14. A similar experiment was conducted without forming a pyrol.

「比較例7」
実施例1の構成において、カーボン層12としてカーボンナノチューブを塗布せず、厚さ0.38mm及び重さ1.7gのカーボンクロス(CC)に実施例1と同じ[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄し、基板10に貼り付けて図3に示すような還元反応用電極とした。
“Comparative Example 7”
In the configuration of Example 1, carbon nanotubes are not applied as the carbon layer 12, and the same carbon fiber (CC) having a thickness of 0.38 mm and a weight of 1.7 g as in Example 1 [Ru {4,4′-di. (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ] MeCN solution containing FeCl 3 · pyrol is applied, dried, washed with water, and then washed with substrate 10 A reduction reaction electrode as shown in FIG.

「実施例4」
市販の銀箔(Ag箔)を基板10として、基板10の上部をマスキングした後に、カーボンナノチューブを約2mg/cmの密度でスプレーして塗布し、350℃で加熱してカーボン層12を形成した。その後、マスキング面に銅線を接続し、ガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止した。さらに、カーボン層12を塗布した面上に錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄して還元反応用電極100を形成した。酸化反応用電極102として白金電極、参照電極104としてHg/HgSOを用いた。
Example 4
A commercially available silver foil (Ag foil) was used as the substrate 10, and the upper portion of the substrate 10 was masked, followed by spraying and applying carbon nanotubes at a density of about 2 mg / cm 2 , and heating at 350 ° C. to form the carbon layer 12. . Thereafter, a copper wire was connected to the masking surface, attached to a glass substrate, and the periphery was sealed with silicon rubber. Furthermore, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl as a complex catalyst layer 14 on the surface coated with the carbon layer 12. 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then washed with water to form a reduction reaction electrode 100. A platinum electrode was used as the oxidation reaction electrode 102, and Hg / Hg 2 SO 4 was used as the reference electrode 104.

反応セルにはパイレックス(登録商標)セルを用いた。電解液には、0.1Mのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。実験は、印加電圧が−1.4Vの状態で、電流−時間測定を行った。 A Pyrex (registered trademark) cell was used as the reaction cell. A 0.1 M phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used as the electrolytic solution, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. In the experiment, current-time measurement was performed in a state where the applied voltage was -1.4V.

「実施例5」
市販の銅箔(Cu箔)を基板10として、基板10の上部をマスキングした後に、カーボンナノチューブを約2mg/cmの密度でスプレーして塗布し、350℃で加熱してカーボン層12を形成した。その後、マスキング面に銅線を接続し、ガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止した。さらに、カーボン層12を塗布した面上に錯体触媒層14として[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄して還元反応用電極100を形成した。酸化反応用電極102として白金電極、参照電極104としてHg/HgSOを用いた。
"Example 5"
Using a commercially available copper foil (Cu foil) as a substrate 10 and masking the upper portion of the substrate 10, a carbon nanotube is sprayed and applied at a density of about 2 mg / cm 2 and heated at 350 ° C. to form a carbon layer 12. did. Thereafter, a copper wire was connected to the masking surface, attached to a glass substrate, and the periphery was sealed with silicon rubber. Furthermore, [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) Cl as a complex catalyst layer 14 on the surface coated with the carbon layer 12. 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then washed with water to form a reduction reaction electrode 100. A platinum electrode was used as the oxidation reaction electrode 102, and Hg / Hg 2 SO 4 was used as the reference electrode 104.

反応セルにはパイレックス(登録商標)セルを用いた。電解液には、0.1Mのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。実験は、印加電圧が−1.4Vの状態で、電流−時間測定を行った。 A Pyrex (registered trademark) cell was used as the reaction cell. A 0.1 M phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used as the electrolytic solution, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. In the experiment, current-time measurement was performed in a state where the applied voltage was -1.4V.

「結果」
表1には、実施例1〜5、比較例1〜6の実験の結果をまとめて示す。

Figure 2017125242
"result"
Table 1 summarizes the results of the experiments of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-6.
Figure 2017125242

実施例1〜5では、いずれも二酸化炭素(CO)を還元してギ酸(HCOOH)が生成された。これに対して、比較例1,3,5のように還元反応用電極100にカーボン層12を設けない場合には、二酸化炭素(CO)の還元反応は進行しなかった。また、比較例2,4,6のように錯体触媒層14がない場合にも二酸化炭素(CO)の還元反応は進行しなかった。 In Examples 1 to 5, formic acid (HCOOH) was produced by reducing carbon dioxide (CO 2 ). On the other hand, when the carbon layer 12 was not provided on the reduction reaction electrode 100 as in Comparative Examples 1, 3, and 5, the reduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ) did not proceed. Further, even when the complex catalyst layer 14 was not present as in Comparative Examples 2, 4, and 6, the reduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ) did not proceed.

以上の結果から、本実施の形態における還元反応用電極100では、基板10からカーボン層12を介して錯体触媒層14に効率的に電子の移動が行われ、炭素化合物が効率的に還元される。また、基板10及びカーボン層12と錯体触媒層14との接合において、基板10及びカーボン層12の表面に特異的に吸着するアンカー部位を持たせる必要がない。   From the above results, in the reduction reaction electrode 100 in the present embodiment, electrons are efficiently transferred from the substrate 10 to the complex catalyst layer 14 via the carbon layer 12, and the carbon compound is efficiently reduced. . Further, in joining the substrate 10 and the carbon layer 12 and the complex catalyst layer 14, it is not necessary to have an anchor site that specifically adsorbs on the surfaces of the substrate 10 and the carbon layer 12.

表2には、実施例1〜3及び比較例7の実験の結果をまとめて示す。

Figure 2017125242
Table 2 summarizes the results of the experiments of Examples 1 to 3 and Comparative Example 7.
Figure 2017125242

比較例7のようにカーボンナノチューブ以外のカーボン材料、例えばカーボンクロスを用いた場合であっても錯体触媒を吸着させて基板10に貼り付けることで還元触媒として機能する。しかしながら、カーボンクロスのようにカーボン材料の構造体の単体のサイズが1μmを超える場合、基板10での副反応の抑制が十分でなくなる。その結果、表2に示すように、比較例7では、実施例1〜3に比べてギ酸(HCOOH)の生成量が低下し、ファラデー効率も低下した。すなわち、カーボン層12を構成するカーボン材料の構造体単体のサイズを1μm以下とすることによって、水素発生の副反応を抑制することができ、炭素化合物の還元反応効率を向上させることができる。   Even when a carbon material other than carbon nanotubes, such as carbon cloth, is used as in Comparative Example 7, it functions as a reduction catalyst by adsorbing the complex catalyst and attaching it to the substrate 10. However, if the size of a single carbon material structure such as carbon cloth exceeds 1 μm, side reactions on the substrate 10 are not sufficiently suppressed. As a result, as shown in Table 2, the amount of formic acid (HCOOH) produced in Comparative Example 7 was lower than that in Examples 1 to 3, and the Faraday efficiency was also reduced. That is, by setting the size of the carbon material structure constituting the carbon layer 12 to 1 μm or less, the side reaction of hydrogen generation can be suppressed, and the reduction reaction efficiency of the carbon compound can be improved.

10 基板、12 カーボン層、14 錯体触媒層、100 還元反応用電極、102 酸化反応用電極、104 参照電極。
10 substrate, 12 carbon layer, 14 complex catalyst layer, 100 electrode for reduction reaction, 102 electrode for oxidation reaction, 104 reference electrode.

Claims (5)

金属又は半導体を含む基板と、前記基板の表面の少なくとも一部を覆い、構造体単体のサイズが1μm以下のカーボン材料からなるカーボン層と、前記カーボン層の表面を覆う錯体触媒層と、を備えることを特徴とする還元反応用電極。   A substrate including a metal or a semiconductor, a carbon layer that covers at least a part of the surface of the substrate and is made of a carbon material having a structure body size of 1 μm or less, and a complex catalyst layer that covers the surface of the carbon layer. An electrode for reduction reaction. 請求項1に記載の還元反応用電極であって、
前記カーボン材料は、カーボンナノチューブ、グラフェン及びグラファイトの少なくとも1つを含むことを特徴とする還元反応用電極。
The reduction reaction electrode according to claim 1,
The electrode for reduction reaction, wherein the carbon material includes at least one of carbon nanotubes, graphene, and graphite.
請求項1又は2に記載の還元反応用電極であって、
前記基板は、ステンレス鋼材、金(Au))、銀(Ag)、銅(Cu)及び酸化チタン(TiO)の少なくとも1つを含むことを特徴とする還元反応用電極。
The reduction reaction electrode according to claim 1 or 2,
The electrode for reduction reaction, wherein the substrate includes at least one of a stainless steel material, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and titanium oxide (TiO 2 ).
請求項1〜3のいずれか1項に記載の還元反応用電極であって、
前記錯体触媒層は、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)FeCl・pyrrol]を含むことを特徴とする還元反応用電極。
The electrode for reduction reaction according to any one of claims 1 to 3,
The complex catalyst layer includes [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) (MeCN) FeCl 3 · pyrol]. Electrode for reduction reaction.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の還元反応用電極と、
水を酸化して酸素を発生する酸化反応用電極と、
を備え、これらを電気化学的に接続して構成され、
前記錯体触媒層が水を含む液に直接触れる状態において電気エネルギーを利用して炭素化合物を還元することを特徴とする反応デバイス。
The electrode for reduction reaction according to any one of claims 1 to 4,
An oxidation reaction electrode that oxidizes water to generate oxygen;
Comprising these and connecting them electrochemically,
A reaction device characterized in that the carbon compound is reduced using electric energy in a state where the complex catalyst layer is in direct contact with a liquid containing water.
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