JP2017202941A - 二酸化炭素の吸着及び放出デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】二酸化炭素の放出能力の高い、二酸化炭素吸着及び放出デバイスを提供する
【解決手段】
二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０は、二酸化炭素を含む気体に接して配置された電解液３であって、二酸化炭素を溶解して、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを形成することが可能である電解液３と、第１電極１と、第１電極１と接して配置され、少なくとも一部が、電解液３に浸漬して配置された多孔質体４と、少なくとも一部が、電解液３に浸漬して配置され、多孔質体４と離間して配置された第２電極２とを備え、第１電極１と第２電極２との間に、第１電極１が正になるように、第１電圧を印加し、多孔質体４の表面に炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを吸着させ、第１電極１と第２電極２との間に、第１電極１が正で、第１電圧よりも低い第２電圧またはゼロ電圧を印加することで、多孔質体４の表面から炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを脱離させる。
【選択図】図１

Description

本開示は、二酸化炭素を電気化学的に吸着及び放出することができるデバイスに関する。

二酸化炭素は、大気中の０．０４％を占める、地球上に広く存在する物質であり、産業上広く用いられている化合物である。二酸化炭素の産業利用の具体例を挙げるとすると、炭酸飲料や入浴剤、消火剤などの発泡用ガス、または冷却用ドライアイス、自転車の緊急補充用エアーが挙げられる。また、超臨界状態の二酸化炭素はカフェインの抽出溶媒として使用され、さらには、工業分野において加工に使用されるレーザーや医療用レーザーメスとして用いられる炭酸ガスレーザーにも使用されている。さらに、フロン系冷媒の代替として、ＣＯ₂冷媒コンプレッサなどに用いられている。

また、農業においては、二酸化炭素は、イチゴの促成栽培、観賞用水槽の水草などの植物の成長を加速させる二酸化炭素施肥に使用され、鮮農産物のＣＡ貯蔵（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｅ ｓｔｏｒａｇｅ）にも使用されている。

このように広く一般的に用いられている二酸化炭素ではあるが、従来、二酸化炭素を貯蔵する技術としては、特許文献１に示すような、ゼオライトを用いて二酸化炭素を圧縮吸着させる圧縮吸着技術、もしくは、特許文献２に示すようなアルカリ性の液体・半液体を用いて二酸化炭素を吸着させるものが主流であった。

一方、特許文献３は、低エネルギー消費でかつ大掛かりな装置を必要とせずに二酸化炭素の吸着・脱離を行えるデバイスを提案している。特許文献３には、二酸化炭素を容易に回収し容易に放出する技術として、二酸化炭素を液体に溶解させて炭酸イオンとし、多孔質な電極に電気的に吸着および脱離させる技術が提案されている。特許文献３に提案されたデバイスは、一対の電極に順方向電圧を印加して炭酸イオンを吸着させ、一対の電極に逆方向電圧を印加して炭酸イオンを脱離させるものである。

特開平７−３９７５２号公報 特開平１１−１１４３５３号公報 特許第５６０４５８８号明細書

上述した従来の技術では、吸着させた二酸化炭素をさらに効率よく脱離させることが求められていた。

本願の、限定的ではない例示的なある実施の形態は、二酸化炭素の放出能力の高い、二酸化炭素吸着および放出デバイスを提供する。

本開示の一態様は、二酸化炭素を含む気体に接して配置された電解液であって、前記二酸化炭素を溶解して、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを形成することが可能である電解液と、第１電極と、前記第１電極と接して配置され、少なくとも一部が、前記電解液に浸漬して配置された多孔質体と、少なくとも一部が、前記電解液に浸漬して配置され、前記多孔質体と離間して配置された第２電極とを備え、前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正になるように、第１電圧を印加し、前記多孔質体の表面に前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを吸着させ、前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正で、前記第１電圧よりも低い第２電圧またはゼロ電圧を印加することで、前記多孔質体の表面から前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを脱離させる、二酸化炭素吸着及び放出デバイスを含む。

本開示の一態様によると、二酸化炭素の放出能力の高い、二酸化炭素吸着および放出デバイスを提供できる。

本開示の一実施の形態の二酸化炭素の吸着および放出デバイスを例示する模式的な断面図である。 実施例および比較例における二酸化炭素放出量の測定結果を示す図である。

本発明の基礎となった知見は以下のとおりである。

本発明者が検討したところ、上記特許文献１および２に開示されている二酸化炭素の吸着技術では、吸着・脱離の際に熱をかけるなど大きなエネルギーが必要である。このため、吸着脱離性能と低エネルギー消費とは両立しないという問題があった。

一方、特許文献３で提案されているデバイスでは、炭酸イオンの電極からの脱離操作を行う際、多孔質体に吸着していた炭酸イオンが気化せずに反対側の電極に再度吸着してしまう現象が起こり得る。この結果、炭酸イオンを電極から完全に脱離することができないという問題があった。また、電極に吸着する炭酸イオンの量を把握することが困難という問題があった。さらに、逆電圧印加時に、炭酸イオンを吸着・脱離する多孔質体に炭酸イオンの対カチオンが吸着してしまい、炭酸イオンなどのアニオンと結合する可能性がある。これによって、電解液中や多孔質体内で不純物となり得る析出物が形成される恐れがあった。また、このデバイスでは、脱離した炭酸イオンは、電解液中で局所的に過飽和状態を形成することで炭酸ガスとして気化される。しかしながら、炭酸イオンを効率よく炭酸ガスに変換することが難しいという問題があった。

そこで、本発明者は、炭酸イオンをエネルギー消費少なく効率よく脱離させることが可能な、二酸化炭素吸着及び放出デバイスの構成を検討し、本願発明に想到した。

本開示の一態様の概要は以下のとおりである。

本開示の一態様である二酸化炭素吸着及び放出デバイスは、二酸化炭素を含む気体に接して配置された電解液であって、前記二酸化炭素を溶解して、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを形成することが可能である電解液と、第１電極と、前記第１電極と接して配置され、少なくとも一部が、前記電解液に浸漬して配置された多孔質体と、少なくとも一部が、前記電解液に浸漬して配置され、前記多孔質体と離間して配置された第２電極とを備え、前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正になるように第１電圧を印加し、前記多孔質体の表面に前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを吸着させ、前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正で、前記第１電圧よりも低い第２電圧またはゼロ電圧を印加することで、前記多孔質体の表面から前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを脱離させる。

前記第１電極と前記第２電極との間に、例えば、前記第１電極が正で、ゼロ電圧を印加することで、前記多孔質体の表面から前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを脱離させてもよい。

少なくとも前記気体は、閉鎖された空間に配置されており、前記空間を減圧する機構をさらに備えており、前記空間を減圧する機構は、前記第２電圧を印加する際、または、ゼロ電圧を印加する際に、前記空間を減圧してもよい。

前記多孔質体は、例えば、導電性高分子を含んでもよい。

前記電解液は、例えば、電解質と溶媒とを含んでもよい。

本開示の一態様によると、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンの脱離操作時に、炭酸イオンが対極に再吸着することを抑制できるので、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを効率よく脱離させることができる。また、デバイスの外部からの電圧印加が不要なため、消費電力を抑制しながら、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンの脱離量を従来よりも高めることが可能になる。

また、炭酸イオン等の脱離量を、電極間の電位差により簡便に把握できる。そのため、炭酸イオンの挙動を把握しながら、二酸化炭素の吸着脱離操作を繰り返すことができる。さらに、多孔質体に対カチオンが静電的に吸着される恐れがないので、電解液中および多孔質体内の不純物となり得る析出物の形成を抑制できる。また、電極間の電位差を低下させる速度を制御することで、炭酸イオンの脱離量・脱離速度を制御できる。さらに、減圧機構を設けることで、電極を脱離した炭酸イオンを効率よく二酸化炭素として気化させることができる。

ある実施の形態の二酸化炭素吸着及び放出デバイスは、対向して設けられた一対の電極と、一対の電極の各電極間に充填された電解液と、一対の電極の一方の電極上に設けられた多孔質体とを有する。電解液は、二酸化炭素を吸収する。この電解液に二酸化炭素が溶解されることにより、炭酸イオン又は炭酸水素イオンが形成され得る。また、多孔質体を有することにより、一対の電極への順方向電圧の印加時に多孔質体の表面に上記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを静電的に吸着し、上記一対の電極間の電位差を低下させることで多孔質体の表面から上記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを静電的に脱離させることが可能である。

本明細書では、一対の電極のうち多孔質体と接する電極を「第１電極」、他方の電極を「第２電極」と称する。また、「順方向電圧の印加」とは、例えば、第１電極に直流電源の正極を、第２電極に直流電源の負極を接続して電圧を印加することを含む。

上記二酸化炭素吸着及び放出デバイスにおいて、例えば、上記一対の電極間の電位を等しくすることで、多孔質体の表面から上記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを静電的に脱離させてもよい。

また、上記二酸化炭素吸着及び放出デバイスは、例えば、電解液を保持する容器と、炭酸イオンを電極から脱離させる際に容器内を減圧する機構とをさらに備えていてもよい。

以下、図面を参照しながら、本実施の形態の二酸化炭素吸着及び放出デバイスをより具体的に説明する。

図１は、本実施の形態の二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０の一例を示す模式的な断面図である。

二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０は、第１電極１、第２電極２、電解液３、および多孔質体４を備える。第１電極１と第２電極２とは対向して離間して配置されている。第１電極１と第２電極２との間に、電解液３および多孔質体４が配置されている。電解液３と多孔質体４とは接している。すなわち、多孔質体４の少なくとも一部は電解液３に浸漬している。電解液３は、第２電極２と電子・正孔の授受ができるように第２電極２と接している。すなわち、第２電極２の少なくとも一部は電解液３に浸漬している。多孔質体４は、第１電極１と電子・正孔の授受ができるように、第１電極１と接している。多孔質体４は、第２電極２と離間して配置されている。

第１電極１は、外部電源、二次電池、キャパシタなどの電気デバイスと接続されている。このため、二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０の放電充電処理を行うことができる。第１電極１は、二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０の負極（アノード）として機能する。

第１電極１及び第２電極２は、導電性材料の単独膜により形成されていてもよく、または基材の上に導電性材料が積層されたものであってもよい。導電性材料の好ましい例としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属；炭素；インジウム−錫複合酸化物、アンチモンがドープされた酸化錫、フッ素がドープされた酸化錫等の導電性の金属酸化物；前記金属や化合物の複合物；前記金属や化合物上に酸化シリコン、酸化スズ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムなどがコートされた材料などが挙げられる。

第１電極１の表面抵抗は低い程よいが、好ましくは当該表面抵抗は２００Ω／□以下、より好ましくは５０Ω／□以下である。表面抵抗が２００Ω／□以下であることにより、二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０における第１電極１での電圧損失が低くなり、二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０を低い電圧で駆動させることができる。特に、表面抵抗が５０Ω／□以下であることにより、第１電極１での電圧損失をより効果的に低減できるので、より低い電圧で二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０を駆動させることが可能になる。この表面抵抗の下限値は、特に制限しないが、例えば０．１Ω／□である。表面抵抗が０．１Ω／□以上であることにより、電極の入手しやすさと二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０の低電圧駆動とを両立できる。

第１電極１は、基材上に酸化インジウムや酸化スズ、酸化亜鉛などの透明導電性酸化物を堆積させることで形成されてもよい。この場合、例えば基材上において、透明導電性酸化物の堆積には、スパッタ法、蒸着法などの真空プロセスが採用されてもよい。また、スピンコート法、スプレー法、スクリーン印刷法などの湿式法が採用されてもよい。

第２電極２は、二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０の正極（カソード）として機能する。第２電極２は、例えば第１電極１の場合と同様の材料により、第１電極１の場合と同様の方法により形成されてもよい。

第２電極２は、電解液３中の還元体に電子を与える触媒作用を有する素材から構成されていてもよい。これにより、第２電極２が二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０の正極として効率よく作用することが可能になる。このような素材としては、白金、金、銀、銅、アルミニウム、ロジウム、インジウム等の金属；グラファイト、カーボンナノチューブ、白金を担持したカーボン等の炭素材料；インジウム−錫複合酸化物、アンチモンをドープした酸化錫、フッ素をドープした酸化錫等の導電性の金属酸化物；ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性高分子などが挙げられる。これらの素材のうち、白金、グラファイト、ポリエチレンジオキシチオフェンなどが特に好ましい。

電解液３は、例えば、溶媒と電解質とを含む。電解質は溶媒に溶解している状態で存在していてもよい。電解質は溶媒のイオン伝導性を高めるために添加される。溶媒は、二酸化炭素を溶解させ、多孔質体４に二酸化炭素を吸着・脱離させるための媒体となる。溶媒は、多孔質体４に充填もしくは膨潤されていてもよい。

溶媒は、電気化学的に安定な、電位窓の広い化合物であることが好ましい。溶媒としては水性溶媒及び有機溶媒のいずれも使用できる。例えば、水；ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート化合物；酢酸メチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン等のエステル化合物；ジエチルエーテル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジオキソシラン、テトラヒドロフラン、２−メチル−テトラヒドロフラン等のエーテル化合物；３−メチル−２−オキサゾジリノン、２−メチルピロリドン等の複素環化合物；アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル等のニトリル化合物；スルフォラン、ジメチルスルフォキシド、ジメチルホルムアミド等の非プロトン性極性化合物などが挙げられる。これらはそれぞれ単独で用いることもでき、また、２種類以上を混合して用いることもできる。中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネ−ト化合物、γ―ブチロラクトン、３−メチル−２−オキサゾジリノン、２−メチルピロリドン等の複素環化合物、アセトニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、３−メトキシプロピオニトリル、吉草酸ニトリル等のニトリル化合物が好ましい。これらの溶媒が２種以上混合されている場合、炭酸水素アニオンの生成の観点から、水が混合されていることが好ましい。

また、溶媒は、イオン性液体（イオン液体）を含有したものであってもよいし、もしくはイオン性液体のみからなるものであってもよい。この場合、電解液３の不揮発性，難燃性などが向上する。イオン性液体としては、公知公例のイオン性液体全般が挙げられるが、例えばイミダゾリウム系、ピリジン系、脂環式アミン系、脂肪族アミン系、アゾニウムアミン系イオン性液体や、欧州特許第７１８２８８号明細書、国際公開第９５／１８４５６号パンフレット、電気化学第６５巻１１号９２３頁（１９９７年）、Ｊ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． １４３巻， １０号， ３０９９頁 （１９９６年）、Ｉｎｏｒｇ． Ｃｈｅｍ．３５巻， １１６８頁 （１９９６年）に記載された構造のイオン性液体が挙げられる。このように溶媒が十分なイオン伝導性を有する場合、電解質は存在しなくても良い。

また、電解質がゲル化または固定化されていてもよく、ゲル化された電解質（ゲル化電解質）、あるいは高分子電解質から形成されてもよい。電解質をゲル化するためのゲル化剤としては、ポリマー、ポリマー架橋反応等の手法を利用するゲル化剤、重合性多官能モノマー、オイルゲル化剤などが挙げられる。ゲル化電解質、高分子電解質としては、一般に用いられる物質が適用され得るが、例えばポリフッ化ビニリデンなどのフッ化ビニリデン系重合体、ポリアクリル酸などのアクリル酸系重合体、ポリアクリロニトリルなどのアクリロニトリル系重合体およびポリエチレンオキシドなどのポリエーテル系重合体、構造中にアミド構造を有する化合物などが好ましい。

電解液３は、安定に酸化還元可能な酸化還元系構成物質を含んでいてもよい。酸化還元系構成物質とは、酸化還元反応において可逆的に酸化体および還元体の形で存在する一対の物質を意味する。酸化還元系構成物質としては、酸化還元対を溶媒中に溶解させた溶液、溶融塩のような固体電解質、ヨウ化銅などのｐ型半導体、トリフェニルアミン等のアミン誘導体、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリチオフェン等の導電性高分子などが挙げられる。

酸化還元系構成物質の具体例としては、例えば、塩素化合物−塩素、ヨウ素化合物−ヨウ素、臭素化合物−臭素、タリウムイオン（ＩＩＩ）−タリウムイオン（Ｉ）、水銀イオン（ＩＩ）−水銀イオン（Ｉ）、ルテニウムイオン（ＩＩＩ）−ルテニウムイオン（ＩＩ）、銅イオン（ＩＩ）−銅イオン（Ｉ）、鉄イオン（ＩＩＩ）−鉄イオン（ＩＩ）、ニッケルイオン（ＩＩ）−ニッケルイオン（ＩＩＩ）、バナジウムイオン（ＩＩＩ）−バナジウムイオン（ＩＩ）、マンガン酸イオン−過マンガン酸イオンなどが挙げられるが、これらに限定はされない。この場合、これらの酸化還元系構成物質は多孔質体４内の酸化還元部とは区別されて機能する。

この酸化還元系構成物質は、第２電極２上に固定化されていてもよい。固定化の方法としては、二次電池などで利用されているカーボン電極、上記構成物質を高分子ゲル中に含有させる方法などが挙げられる。

酸化還元構成物質が存在しない場合には、溶媒の分解による電極反応が起こり、溶媒の随時補給が必要になる。この場合、溶媒は大気中に広く存在する水であってもよい。水であれば、例えばペルチェ素子などを利用し、大気中の水を補給する方法が挙げられる。

電解質は溶媒に溶解し、電解液３のイオン伝導性を向上させるために添加される。

電解質としては、例えば過塩素酸テトラブチルアンモニウム、六フッ化リン酸テトラエチルアンモニウム、イミダゾリウム塩やピリジニウム塩などのアンモニウム塩、過塩素酸リチウムや四フッ化ホウ素カリウムなどアルカリ金属塩などが好ましい。また、リチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウムなどのアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属、アミノ基を有する有機化合物をカチオンとし、塩素、臭素などのハロゲンイオン、もしくはスルホニウムなどをアニオンとする塩が挙げられる。

電解質の支持塩は炭酸イオンもしくは炭酸水素イオンを安定化させ、ｐＨ緩衝能を有することがより好ましい。具体例を挙げるとすると、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、酢酸、酢酸ナトリウムなどが挙げられる。また、これらの電解質は複数を同時に含有していてもよい。

多孔質体４は、電気化学的に正電荷に帯電し、炭酸水素イオンもしくは炭酸イオンを吸着させる機能を有する。

（導電性高分子多孔質体）
多孔質体４は、導電性高分子多孔質体であってもよい。

多孔質体４として導電性高分子多孔質体を用いる場合、導電性を持つ高分子が第１電極１上で多孔質な状態で形成され、高分子が電気化学的に酸化もしくは還元されて生じるカチオンサイトに炭酸イオンもしくは炭酸水素イオンが吸着される。導電性多孔質高分子体の材料としては、ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子を挙げることができる。ポリアニリンは、直鎖共役系のポリアセチレンと比較すると、空気酸化に対する安定性に極めて優れており、例えば二次電池のリチウムアルミニウムを対極とする正極材料として実用に供されている。他の用途としては、エレクトロクロミック材料、固定化酵素の担体、半導体の光溶解を抑制する表面被覆材料、トランジスター、電子移動触媒作用を利用した半導体電極の被覆材料、二酸化炭素の光電気化学還元触媒、さらには光電応答を示す電極材料としての利用など、色々な応用が検討されている。

ポリアニリンの合成方法としては、特願平４−１１４５８に示される方法が挙げられる。このとき、ポリアニリンの製造方法は、電解重合であってもよい。電解重合で製膜された膜であれば、導電パスが確保された状態で製膜が進み、全てのアニリンサイトが活性であるポリアニリン膜とすることができる。電解重合の方法は、定電位法でも電位走引法でもよい。

本実施の形態では、高分子多孔質体中のカチオンサイトを保障する対アニオンは、炭酸水素イオンまたは炭酸イオンであってもよい。カチオンサイトを保障する対アニオンの比率は、他の対アニオンの合計モル数を１として、好ましくは１０〜９９、より好ましくは１００〜１００００である。

（無機多孔質体）
多孔質体４は、無機多孔質体であってもよい。

多孔質体４として無機多孔質体を用いる場合、電圧印加時にその多孔質表面にプラスチャージが充填され、その対アニオンとして二酸化炭素が炭酸水素イオンもしくは炭酸イオンの形で無機多孔質体に吸着される。電極間の電位を低下することで無機多孔質体から脱離する。

無機多孔質体の具体的な構成材料としては、例えば活性炭または炭素繊維等を用いたカーボン系電極、針状の導電材料を用いた空隙率の高い電極、もしくは、カーボンナノチューブなどを挙げることができる。これらは、複合されて用いられてもよい。

また、これらの導電材料に、所定の触媒を担持させてもよい。担持される触媒としては、例えば白金触媒、銀触媒、白金・ルテニウム触媒、コバルト触媒等を採用することができる。

多孔質体４の材料にかかわらず、多孔質体４の厚さは、０．００１〜１０ｃｍの範囲内であることが好ましい。これ以下である場合、二酸化炭素吸収量が十分でなくなり、これ以上である場合、二酸化炭素の吸収・放出速度が落ちる可能性がある。

以上の説明のように構成される二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０では、多孔質体４が優れた二酸化炭素吸着性能を有し、且つ電解液３によって炭酸イオンもしくは炭酸水素イオンの充填が速やかに行われる。

すなわち、二酸化炭素を含有した電解液３が存在する状況で、電極間に電圧を印加することにより、多孔質体４に二酸化炭素が炭酸水素イオンもしくは炭酸イオンの形で充填され吸着される。次に、電位差を低下させると、多孔質体４から電解液３中にイオンが放出され局所的に過飽和になり二酸化炭素となる。これにより、二酸化炭素を放出することが可能になる。

電位差を低下させる際には、元の電位差よりも０．１Ｖ以上低下させることが好ましい。０．１Ｖ未満の低下であると、充分な量のイオンが多孔質体から離れなくなり、二酸化炭素の放出量が少なくなる場合がある。

電位差を低下させる方法としては、例えば電極間を電気的に接続する方法、電流を印加する方法などが挙げられる。電極間を電気的に接続する方法として、電気抵抗成分を接続する方法を適用してもよい。電気抵抗成分を導入する方法では、抵抗値が低いほど炭酸イオン放出速度が高くなるため好ましい。抵抗値は、例えば１０ｋΩ以下であることが好ましい。電流を印加する方法では、炭酸イオンの放出速度を高めるためには、第１電極１の面積１ｃｍ²当り０．１ｎＡ以上１０Ａ以下の電流を印加することが好ましい。

二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０は、大気などの二酸化炭素を含む気体（ガス）を電解液３に吸収させる機構と、吸収されたガスをデバイス１０外に放出する機構とをさらに備えていてもよい。二酸化炭素を含むガスを電解液３に吸収させる機構は、ガスを電解液３へバブリングしたり、多孔質体を介して電解液と気体との気液界面を形成する燃料電池等で用いられるガス拡散層などを使用することにより、ガスを電解液３に導入することができる。また、ガスを吸収させる機構とガスをデバイス１０外へ放出する機構とは、後述する電解液３から放出された二酸化炭素を排出する機構と同時に機能しなくてもよい。例えば、バルブなどを設けてガスの流れを切り替えることにより、ガスを吸収させる機構とガスをデバイス１０外へ放出する機構とを、二酸化炭素を排出する機構と同時に機能しないように制御してもよい。

二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０は、電解液３から放出した二酸化炭素を排出する機構をさらに備えてもよい。この機構は、配管、容器等を含み、電解液３の近傍に配置されていてもよい。配管および容器内を大気などのガスが循環したり、拡散することで、二酸化炭素が排出される。二酸化炭素を排出する配管は、炭酸イオンが吸着脱離する多孔質体４の近傍に設置されていてもよい。特許文献３では、炭酸イオンの放出が２つの電極で行われるおそれがあるため二酸化炭素の放出場所が限定されず、二酸化炭素の放出に適した配管の設置が困難である。これに対し、本実施の形態では、炭酸イオンが吸着脱離に関与できる電極が１つに限定されるため、配管の設置が容易である。また、配管の体積を減らしてデバイス１０を小型化することができる。

二酸化炭素吸着及び放出デバイス１０は、電解液３を保持する容器に設けられた、容器内を減圧する機構をさらに備えていてもよい。この機構は、炭酸イオンを電極から脱離する際に容器内を減圧してもよい。容器内を減圧する機構は、特に限定されないが、電解液３の近傍を減圧する機構であればよい。これにより、電解液３の近傍の気体が減圧される。減圧する機構は、電解液３および気体を内部に含む閉鎖された空間を減圧する機構であってもよい。減圧の手法は問わないが、ダイヤフラム式ポンプ、油回転式ポンプ、ドライポンプ、クライオポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、メカニカルブースターポンプ、ソープションポンプ、エジェクタポンプなどの真空ポンプを用いてもよい。あるいは、容器、容器に接続された管、または容器の少なくとも一部分が伸縮することで、容器の体積の増減によって減圧する方法を用いてもよい。低消費電力と二酸化炭素の高放出量とを両立するには、容器内を、例えば１０²Ｐａ以上大気圧未満の圧力まで減圧してもよい。

（実施例）
次に、本実施の形態の二酸化炭素吸着および放出デバイスを実施例によって具体的に説明する。

＜実施例１、２、３＞
縦３ｃｍ、横３ｃｍの活性炭繊維（クラレ製）を２枚用意し、これを第１電極１および第２電極２とした。また、水に炭酸水素ナトリウムを０．５Ｍの濃度で溶解させたものと、水に炭酸ナトリウムを０．５Ｍの濃度で溶解させたものとを１：１で混合して、電解質溶液を調製した。次いで、第１電極１および第２電極２を電解質溶液に浸し、対向するように配置して、評価用の素子を得た。

次いで、電解質溶液５０ｍｌに対し大気を１００ｍｌ／Ｌでバブリングし、大気中の二酸化炭素を吸収させた。この後、電極間（第１電極１と第２電極２との間）に１．０Ｖの電圧を１２０分間印加し、炭酸イオンを電極に吸着させた。続いて、電極間を電気的に接続することで、電極間の電位差を低減した。実施例１では電極間の電位差を０Ｖ、実施例２では電極間の電位差を０．４Ｖ、実施例３では電極間の電位差を０．８Ｖに低減した。これにより、炭酸イオンを電極から脱離させ、電解質溶液中に放出させた。電極から放出されたイオンが局所的に過飽和になることで生成された二酸化炭素を１００ミリリットルの容器に循環させた。

＜実施例４＞
上記の評価用素子にダイヤフラム式真空ポンプ（アズワン社製）を接続し、炭酸イオン脱離時に約１ｋＰａで排気した。その他は実施例１と同様である。

＜比較例１＞
炭酸イオン脱離時に、電極間の電位差を低減する代わりに逆電圧（−１．０Ｖ）を印加した。その他は実施例１と同様である。

＜比較例２＞
実施例１と同様の方法で電解質溶液に二酸化炭素を吸収させた後に、電圧の印加など電極間に電気的な操作を加えずに５ｋＰａで排気した。

＜実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、比較例１、比較例２の結果＞
炭酸イオンを多孔質体から脱離させた後の二酸化炭素濃度をＣＯ₂センサ（ヤガミ社製、製品名：デジタル気体チェッカー）で測定した。結果を表１及び図２に示す。

表１及び図２の結果から、炭酸イオンの多孔質体からの脱離時に電極間の電位差を小さくした実施例１〜３では、逆電圧を印加した比較例１よりも二酸化炭素の放出量が大きいことがわかった。また、実施例１〜３の結果から、電極間の電位差が小さいほど、二酸化炭素放出量が大きいことがわかった。

さらに、減圧機構を設けて炭酸イオン脱離時に容器内を減圧した実施例４では、実施例１よりも二酸化炭素の放出量が大きくなることがわかった。実施例４の二酸化炭素放出量は、減圧機構のみで二酸化炭素を放出させた比較例２よりも十分に大きいことも確認された。

本開示の二酸化炭素の吸着及び放出デバイスは、二酸化炭素を電気制御にて集め、必要なときに放出することができるため、二酸化炭素が工業的、農業的に利用される分野に広く適用できる。

１ 第１電極
２ 第２電極
３ 電解液
４ 多孔質体
１０ 二酸化炭素吸着および放出デバイス

Claims (5)

1. 二酸化炭素を含む気体に接して配置された電解液であって、前記二酸化炭素を溶解して、炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを形成することが可能である電解液と、
   第１電極と、
   前記第１電極と接して配置され、少なくとも一部が、前記電解液に浸漬して配置された多孔質体と、
   少なくとも一部が、前記電解液に浸漬して配置され、前記多孔質体と離間して配置された第２電極とを備え、
   前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正になるように、第１電圧を印加し、前記多孔質体の表面に前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを吸着させ、
   前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正で、前記第１電圧よりも低い第２電圧またはゼロ電圧を印加することで、前記多孔質体の表面から前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを脱離させる、二酸化炭素吸着及び放出デバイス。
2. 前記第１電極と前記第２電極との間に、前記第１電極が正で、ゼロ電圧を印加することで、前記多孔質体の表面から前記炭酸イオンまたは炭酸水素イオンを脱離させる、請求項１に記載の二酸化炭素吸着及び放出デバイス。
3. 少なくとも前記気体は、閉鎖された空間に配置されており、
   前記空間を減圧する機構をさらに備えており、
   前記空間を減圧する機構は、前記第２電圧を印加する際、または、ゼロ電圧を印加する際に、前記空間を減圧する、請求項１または２に記載の二酸化炭素吸着及び放出デバイス。
4. 前記多孔質体は、導電性高分子を含む、請求項１から３のいずれかに記載の二酸化炭素吸着及び放出デバイス。
5. 前記電解液は、電解質と溶媒を含む、請求項１から３のいずれかに記載の二酸化炭素吸着及び放出デバイス。

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