JP2024017826A - carbon dioxide electrolysis cell - Google Patents
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Abstract
【課題】長時間安定して二酸化炭素を電解還元できる二酸化炭素の電解セルを実現することを目的とする。【解決手段】二酸化炭素の電解セル(1)は、コバルトフタロシアニンを含有する陰極(10)と、ガス流路(20)と、陰極電解液(31)を内包可能である陰極室(30)と、陽極(40)と、陽極電解液(51)を内包可能である陽極室(50)と、アニオン交換膜(60)と、を備える。【選択図】図1An object of the present invention is to realize a carbon dioxide electrolytic cell that can electrolytically reduce carbon dioxide stably for a long period of time. [Solution] A carbon dioxide electrolysis cell (1) includes a cathode (10) containing cobalt phthalocyanine, a gas flow path (20), and a cathode chamber (30) capable of containing a cathode electrolyte (31). , an anode (40), an anode chamber (50) capable of containing an anode electrolyte (51), and an anion exchange membrane (60). [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、二酸化炭素の電解セルに関する。 The present invention relates to a carbon dioxide electrolysis cell.
近年、再生可能エネルギーの発電等により得られた余剰な電気エネルギーを貯蔵するために、二酸化炭素(CO2)の電解還元が注目されている。二酸化炭素の電解還元により発生する炭素化合物、例えば一酸化炭素(CO)を貯蔵することにより、蓄電池で電気エネルギーを貯蔵する場合と比較して、貯蔵コストおよび貯蔵ロスを低減することができる。 BACKGROUND ART In recent years, electrolytic reduction of carbon dioxide (CO 2 ) has been attracting attention in order to store surplus electrical energy obtained from renewable energy power generation and the like. By storing carbon compounds generated by electrolytic reduction of carbon dioxide, such as carbon monoxide (CO), storage costs and storage losses can be reduced compared to storing electrical energy in storage batteries.
特許文献1には、ガス拡散電極を用いる二酸化炭素の電解還元方法が開示されている。特許文献2には、アノードをセパレータに接触させた二酸化炭素の電解セルが開示されている。
また、非特許文献1には、酸素還元反応において拡散律速領域(diffusion-rate limit range)では、カソードの親水度が高いほど還元電流が小さいことから、カソードの親水度が高いほどガス拡散性が低減されることが示唆されている。非特許文献2には、アルカリ膜形燃料電池において使用されるアニオン交換膜が開示されている。
Additionally, Non-Patent
しかしながら、特許文献1および2に記載される従来技術は、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができないという問題がある。本発明の一態様は、長時間安定して二酸化炭素を電解還元できる二酸化炭素の電解セルを実現することを目的とする。
However, the conventional techniques described in
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る二酸化炭素の電解セルは、コバルトフタロシアニンを含有し、二酸化炭素を還元する陰極と、前記陰極に二酸化炭素を供給するガス流路と、前記陰極に接触する陰極電解液を内包可能である陰極室と、前記陰極と対となる陽極と、前記陽極に接触する陽極電解液を内包可能である陽極室と、前記陰極電解液と前記陽極電解液とを分離するアニオン交換膜と、を備える。 In order to solve the above problems, a carbon dioxide electrolytic cell according to one aspect of the present invention includes a cathode that contains cobalt phthalocyanine and reduces carbon dioxide, a gas flow path that supplies carbon dioxide to the cathode, a cathode chamber capable of containing a catholyte electrolyte in contact with the cathode; an anode paired with the cathode; an anode chamber capable of containing an anolyte electrolyte in contact with the anode; the cathode electrolyte and the anode; An anion exchange membrane that separates the electrolyte from the electrolyte.
発明者らの鋭意検討の結果、陰極にコバルトフタロシアニンを含有させることにより、二酸化炭素の還元による一酸化炭素の生成を促進するとともに、ギ酸の生成を低減できることが見出された。そのため、陰極電解液および陽極電解液のpHの変動を低減し、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができる。 As a result of intensive studies by the inventors, it has been found that by including cobalt phthalocyanine in the cathode, it is possible to promote the production of carbon monoxide through the reduction of carbon dioxide and to reduce the production of formic acid. Therefore, fluctuations in the pH of the catholyte and anolyte are reduced, and carbon dioxide can be electrolytically reduced stably for a long period of time.
また、アニオン交換膜で陰極電解液と陽極電解液とを分離することにより、二酸化炭素の還元により生成する水酸化物イオン(OH-)が、陰極室内からアニオン交換膜を通って陽極室内に移動することができる。このとき、陽極では例えば水または水酸化物イオンの酸化により、水素イオン(H+)が生成している。そのため、陰極室内から陽極室内に移動した水酸化物イオン(OH-)が、陽極室内で余剰になった水素イオン(H+)の少なくとも一部を中和することができる。そのため、陰極電解液および陽極電解液のpHの変動を低減し、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができる。 In addition, by separating the catholyte and anolyte electrolytes with an anion exchange membrane, hydroxide ions (OH - ) generated by reduction of carbon dioxide move from the cathode chamber through the anion exchange membrane into the anode chamber. can do. At this time, hydrogen ions (H + ) are generated at the anode, for example, by oxidation of water or hydroxide ions. Therefore, the hydroxide ions (OH - ) that have moved from the cathode chamber to the anode chamber can neutralize at least a portion of the excess hydrogen ions (H + ) in the anode chamber. Therefore, fluctuations in the pH of the catholyte and anolyte are reduced, and carbon dioxide can be electrolytically reduced stably for a long period of time.
本発明の一態様によれば、長時間安定して二酸化炭素を電解還元できる二酸化炭素の電解セルを実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a carbon dioxide electrolytic cell that can stably electrolytically reduce carbon dioxide for a long period of time.
以下、本発明の一態様について、詳細に説明する。なお、以下の記載は、発明の趣旨をより良く理解させるためのものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail. It should be noted that the following description is provided for better understanding of the gist of the invention, and is not intended to limit the invention unless otherwise specified.
〔二酸化炭素の電解セルの構造〕
図1は、本発明の一態様に係る二酸化炭素の電解セル1を示す模式図である。電解セル1は、陰極10と、ガス流路20と、陰極室30と、陽極40と、陽極室50と、アニオン交換膜60と、を備える。
[Structure of carbon dioxide electrolysis cell]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a carbon
陰極10は、コバルトフタロシアニン(以下、「CoPc」と略記)を含有し、二酸化炭素を還元する電極である。陰極10では、二酸化炭素の還元により、例えば一酸化炭素が生じ得る。陰極10は、表面に疎水性バインダを含有するガス拡散電極であってもよい。疎水性バインダの例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を挙げることができる。陰極10は、疎水性を更に向上するために、親水性バインダを含有しなくてもよい。陰極10は、導電性向上のために、カーボン材料を更に含有していてもよい。
The
陰極10を、表面に疎水性バインダを含有するガス拡散電極とすることにより、気体の拡散性を向上することができる。そのため、陰極10と二酸化炭素との接触を促進することができる。また、陰極10において生成する炭素化合物が気体である場合、気体状の炭素化合物が陰極10から離脱することを促進することができる。したがって、電解還元時の陰極10における電流密度を向上することができる。
By using the
更に、疎水性の上昇によりぬれ性が低下し、陰極電解液31と陰極10との接触面積を減少させることができるので、陰極電解液31に溶解する二酸化炭素の量を低減することができる。
Furthermore, the wettability decreases due to the increase in hydrophobicity, and the contact area between the
陰極10がガス拡散電極である場合、陰極10におけるCoPcの濃度分布は、陰極10内で一様であってもよく、あるいは陰極10のガス流通側の表面に近い程、CoPcの濃度が高くなっていてもよい。
When the
陰極10は、水を吸着種としたBET比表面積(SAH2O)と窒素を吸着種としたBET比表面積(SAN2)との比(SAH2O/SAN2、以下「親水度」と略記)が、0.010以下であってもよい。
The
陰極10の親水度を0.010以下とすることにより、気体の拡散性を向上させることができる。したがって、電解還元時の陰極10における電流密度を更に向上することができる。また、陰極電解液31と陰極10との接触面積を更に減少させることができるので、電解還元に必要な電圧を更に低下させることができる。
By setting the hydrophilicity of the
ガス流路20は、陰極10に二酸化炭素を供給する。ガス流路20としては、既知のものを使用することができる。陰極10がガス拡散電極である場合、ガス流路20は、陰極10のガス拡散層に連なっていてもよい。
陰極室30は、陰極10に接触する陰極電解液31を内包可能である。陰極電解液31のpHは特に限定されないが、例えば、pHが12以上であってもよく、好ましくは13以上であってもよい。陰極電解液31として使用できる電解液の例として、限定するものではないが、水酸化カリウム(KOH)水溶液、水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液および炭酸水素カリウム(KHCO3)水溶液を挙げることができる。
The
陰極電解液31としてKHCO3水溶液を使用した場合、炭酸イオン(CO3
2-)が十分に存在する溶液中では、CO2が溶解してイオン化する反応は進行しづらい。一方で、溶液中のOH-が少ない条件となり、対極反応である酸素発生反応が進みにくくなる。そのため、陰極電解液31として強塩基電解液を使用した場合よりも、電解還元時における電流が低減する。
When a KHCO 3 aqueous solution is used as the
陽極40は、陰極10と対となる電極である。陽極40としては、例えば白金電極等の既知のものを使用することができる。陽極40では、例えば水(H2O)または水酸化物イオン(OH-)の酸化により、酸素(O2)および水素イオン(H+)が生じ得る。
The
陽極室50は、陽極40に接触する陽極電解液51を内包可能である。陽極電解液51のpHは特に限定されないが、例えば、pHが12以上であってもよく、好ましくは13以上であってもよい。陽極電解液51は、陰極電解液31と同じ電解液を使用してもよい。
The
アニオン交換膜60は、陰極電解液31と陽極電解液51とを分離する。アニオン交換膜60は、陽極40において生じる酸素が陰極電解液31まで移動することを防止するため、陽極40において生じた酸素が陰極10において還元される(酸素のクロスオーバー)ことを防止できる。二酸化炭素還元の過電圧は酸素還元の過電圧より大きいため、アニオン交換膜60がなければ、このような酸素のクロスオーバーを防止することは困難である。
Anion
アニオン交換膜60は、イオン伝導度が1mS/cm以上であってもよく、好ましくは3mS/cm以上であってもよく、更に好ましくは5mS/cm以上であってもよい。アニオン交換膜60のイオン伝導度が高いほど、電解還元時に必要な電圧を低下させることができる。
The
また、アニオン交換膜60は、膜抵抗が1Ω・cm2以下であってもよく、好ましくは0.7Ω・cm2以下であってもよく、更に好ましくは0.5Ω・cm2以下であってもよい。アニオン交換膜60の膜抵抗が低いほど、電解還元時に必要な電圧を低下させることができる。
Further, the
〔アニオン交換膜のイオン伝導度〕
本明細書において、アニオン交換膜の「イオン伝導度」とは、下記の通り算出されるイオン伝導度を意味するものとする。
[Ionic conductivity of anion exchange membrane]
In this specification, the "ion conductivity" of an anion exchange membrane shall mean the ionic conductivity calculated as follows.
まず、アニオン交換膜を大気中、乾燥状態で24時間以上放置したものを40℃のイオン交換水に湿潤させた後、横約6cm、縦2.0cmの長方形に切断する。また、アニオン交換膜をイオン交換水で湿潤させた状態における膜厚Lを測定する。 First, an anion exchange membrane that has been left in the air in a dry state for 24 hours or more is moistened with ion exchange water at 40° C., and then cut into a rectangle approximately 6 cm wide and 2.0 cm long. Further, the film thickness L in a state where the anion exchange membrane is wetted with ion exchange water is measured.
次いで、線幅0.3mmの白金線5本を、横方向(アニオン交換膜の横方向と同じ方向)に0.5cm間隔で、いずれも縦方向(アニオン交換膜の縦方向と同じ方向)に対して平行となる直線状に配置した絶縁基板を準備する。そして、絶縁基板の白金線を短冊状のアニオン交換膜に押し当てることにより、測定用試料を作成する。 Next, five platinum wires with a line width of 0.3 mm were placed at intervals of 0.5 cm in the horizontal direction (the same direction as the horizontal direction of the anion exchange membrane) and in the vertical direction (the same direction as the vertical direction of the anion exchange membrane). Insulating substrates arranged in a straight line parallel to the substrate are prepared. Then, a measurement sample is prepared by pressing the platinum wire of the insulating substrate against the rectangular anion exchange membrane.
測定用試料の5本の白金線について、長方形に切断されたアニオン交換膜の一方の短辺に近い方から順に、Pt1、Pt2、Pt3、Pt4およびPt5と称する。そして、Pt1とPt2との間(間隔=0.5cm)、Pt1とPt3との間(間隔=1.0cm)、Pt1とPt4との間(間隔=1.5cm)およびPt1とPt5との間(間隔=2.0cm)で、それぞれ交流インピーダンスを測定する。このとき、交流インピーダンスは、測定用試料を40℃、90%RHの恒温恒湿槽中でアニオン交換膜表面にイオン交換水の水滴が存在する状態に保持し、白金線間に1kHzの交流を印加したときの交流インピーダンスとして測定する。 The five platinum wires of the measurement sample are referred to as Pt1, Pt2, Pt3, Pt4, and Pt5 in order from the one closest to one short side of the rectangularly cut anion exchange membrane. And between Pt1 and Pt2 (distance = 0.5 cm), between Pt1 and Pt3 (distance = 1.0 cm), between Pt1 and Pt4 (distance = 1.5 cm), and between Pt1 and Pt5. (distance = 2.0 cm), and measure AC impedance. At this time, the AC impedance was determined by holding the measurement sample in a constant temperature and humidity chamber at 40°C and 90% RH with water droplets of ion exchange water present on the surface of the anion exchange membrane, and applying a 1 kHz AC between the platinum wires. Measure as AC impedance when applied.
そして、横軸を白金線の間隔とし、縦軸を交流インピーダンスとして、各測定値をプロットし、最小二乗法を使用した直線近似を行うことにより、直線の傾きとして、アニオン交換膜の比抵抗を意味する抵抗極間勾配R3を求める。抵抗極間勾配R3から、下記式(2)に基づいてイオン伝導度σを算出する。下記式(2)の右辺について、「2.0」はアニオン交換膜の縦方向の長さを示し、単位はcmである。 Then, by plotting each measurement value with the horizontal axis as the interval between the platinum wires and the vertical axis as the AC impedance, and performing a linear approximation using the least squares method, we can calculate the specific resistance of the anion exchange membrane as the slope of the straight line. The meaning of the resistance pole gradient R3 is determined. The ionic conductivity σ is calculated from the resistance electrode gradient R3 based on the following equation (2). Regarding the right side of the following formula (2), "2.0" indicates the length of the anion exchange membrane in the vertical direction, and the unit is cm.
σ=1/(R3×2.0×L) ・・・(2)
σ:イオン伝導度[S/cm]
L:膜厚[cm]
R3:抵抗極間勾配[Ω/cm]
なお、上記近似直線のy切片は、測定用試料における白金線とアニオン交換膜との間の接触抵抗を意味する。本測定では、アニオン交換膜のイオン伝導度σは、抵抗極間勾配R3に基づいて算出されるので、上記接触抵抗の影響を除外することができる。
σ=1/(R3×2.0×L) ...(2)
σ: Ionic conductivity [S/cm]
L: Film thickness [cm]
R3: Resistance gradient [Ω/cm]
Note that the y-intercept of the above approximate straight line means the contact resistance between the platinum wire and the anion exchange membrane in the measurement sample. In this measurement, the ionic conductivity σ of the anion exchange membrane is calculated based on the resistance pole slope R3, so that the influence of the contact resistance can be excluded.
〔アニオン交換膜の膜抵抗〕
本明細書において、アニオン交換膜の「膜抵抗」とは、下記の通り算出される膜抵抗を意味するものとする。
[Membrane resistance of anion exchange membrane]
In this specification, the "membrane resistance" of an anion exchange membrane shall mean the membrane resistance calculated as follows.
膜抵抗(Ω・cm2)=膜厚(cm)/イオン伝導率(1/(Ω・cm))
〔二酸化炭素の電解セルの動作〕
図2は、二酸化炭素の電解セル1を用いて二酸化炭素を電解還元する時の動作を説明する概略図である。図2の例では、陰極電解液31および陽極電解液51としてKOH水溶液を使用しているが、本発明はこれに限定されず、他の電解液を使用してもよい。陰極10では、下記式(3)および(4)の反応が進行する。
Membrane resistance (Ω・cm 2 )=Membrane thickness (cm)/ion conductivity (1/(Ω・cm))
[Operation of carbon dioxide electrolysis cell]
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the operation when carbon dioxide is electrolytically reduced using the carbon dioxide
また、陰極10では、更に下記式(5)の反応が進行することもある。
Further, at the
一方、陽極40では、下記式(6)の反応が進行する。
On the other hand, at the
陰極電解液31では、上記式(3)および(4)の反応により、OH-イオンが過剰となる。一方、陽極電解液51では、上記式(6)の反応により、H+イオンが過剰となる。ここで、電解セル1では、アニオン交換膜60が陰極電解液31と陽極電解液51とを分離するので、陰極電解液31において過剰となった水酸化物イオン(OH-)が、陰極室30内からアニオン交換膜60を通って陽極室50内に移動することができる。そして、陰極室30内から陽極室50内に移動した水酸化物イオン(OH-)は、陽極室50内で過剰になった水素イオン(H+)の少なくとも一部を中和することができる。そのため、陰極電解液31および陽極電解液51のpHの変動を低減し、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができる。
In the
また、陰極電解液31のpHを12以上とした場合、上記式(5)による水素(H2)の生成を低減し、上記式(4)によるCOの生成を促進することができる。また、陽極電解液51のpHを12以上とした場合、上記式(6)による陽極反応を促進し、電解還元時に必要な電圧を低下させることができる。
Further, when the pH of the
上記の構成によれば、例えば再生可能エネルギーの発電等により得られた余剰な電気エネルギーを効率的に貯蔵することができる。このような効果は、例えば、国連が提唱する持続可能な開発目標(SDGs)の目標7「すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する」等の達成にも貢献できる。 According to the above configuration, it is possible to efficiently store surplus electric energy obtained from, for example, power generation of renewable energy. Such effects will, for example, help achieve Goal 7 of the Sustainable Development Goals (SDGs) advocated by the United Nations, ``Ensure access to affordable, reliable, sustainable, and modern energy for all.'' can also contribute.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. are also included within the technical scope of the present invention.
〔実施例〕
本発明の実施例について以下に説明する。なお、本実施例に記載の電解セルは一例であり、本発明の一態様に係る電解セルを限定するものではない。まず、下記表1に示す組み合わせで、実施例に係る電解セルEx1~Ex3および比較例に係る電解セルCE1を作製した。
〔Example〕
Examples of the present invention will be described below. Note that the electrolytic cell described in this example is an example, and is not intended to limit the electrolytic cell according to one embodiment of the present invention. First, electrolytic cells Ex1 to Ex3 according to Examples and electrolytic cell CE1 according to Comparative Example were manufactured using the combinations shown in Table 1 below.
陰極として、上記表1に記載の陰極触媒、疎水性カーボン粉末およびPTFEを混合し、ホットプレスすることによって作製した電極を使用した。陽極として、白金電極を使用した。 As a cathode, an electrode prepared by mixing the cathode catalyst shown in Table 1, hydrophobic carbon powder, and PTFE and hot pressing the mixture was used. A platinum electrode was used as the anode.
上記表1に記載のアニオン交換膜として、株式会社トクヤマ製サンプル品(サンプル名:A201)を使用した。また、カチオン交換膜として、デュポン社製Nafion(品番:117)を使用した。 As the anion exchange membrane listed in Table 1 above, a sample product manufactured by Tokuyama Co., Ltd. (sample name: A201) was used. Further, as a cation exchange membrane, Nafion (product number: 117) manufactured by DuPont was used.
作製した電解セルを用いて、陰極に-1600mVの定電位を印加し、導入ガスを(i)二酸化炭素のみ(ガス流量:30mL/min)または(ii)二酸化炭素+飽和水蒸気(合計ガス流量:30mL/min)として、二酸化炭素の電解還元を行った。結果を下記表2に示す。なお、表2において、導入ガス「CO2」とは、導入ガスが(i)二酸化炭素のみであることを表し、導入ガス「CO2+H2O」とは、導入ガスが(ii)二酸化炭素+飽和水蒸気であることを表す。また、「ND」は、検出されなかったことを表す。また、ファラデー効率が100%を上回っている場合がある。これは、発生気体の一部に対して分析を行っていることが原因の測定誤差と、想定より少ない電子数による反応の影響とが考えられる。少ない電子数による反応としては、例えば、CO2ラジカルとCO2とによる、1電子CO生成反応が考えられる。 Using the prepared electrolytic cell, a constant potential of -1600 mV was applied to the cathode, and the introduced gas was either (i) carbon dioxide only (gas flow rate: 30 mL/min) or (ii) carbon dioxide + saturated water vapor (total gas flow rate: 30 mL/min), electrolytic reduction of carbon dioxide was performed. The results are shown in Table 2 below. In Table 2, the introduced gas "CO2" means that the introduced gas is (i) carbon dioxide only, and the introduced gas "CO2 + H2O" means that the introduced gas is (ii) carbon dioxide + saturated water vapor. represents something. Moreover, "ND" represents that it was not detected. Further, the Faraday efficiency may exceed 100%. This is thought to be due to a measurement error caused by analyzing a portion of the generated gas and an effect of the reaction due to a smaller number of electrons than expected. As a reaction with a small number of electrons, for example, a one-electron CO production reaction between a CO 2 radical and CO 2 can be considered.
上記表2に示すように、Ex1~Ex3に係る電解セルは、ギ酸の生成が確認されないか、生成量が極めて少ないことが見出された。したがって、陰極にCoPcを含有させることにより、ギ酸の生成を低減できることが示された。 As shown in Table 2 above, it was found that in the electrolytic cells according to Ex1 to Ex3, production of formic acid was not confirmed or the amount produced was extremely small. Therefore, it was shown that the production of formic acid can be reduced by including CoPc in the cathode.
また、Ex1~Ex2に係る電解セルは、Ex3に係る電解セルよりも、電気量が大きく、かつ一酸化炭素の生成量が多いことが示された。これは、Ex1~Ex2に係る電解セルは、陽極電解液としてpHが12以上の強塩基を使用しているので、上記式(6)で表される陽極反応が速やかに進むためであると推測される。 Further, it was shown that the electrolytic cells according to Ex1 to Ex2 had a larger amount of electricity and produced a larger amount of carbon monoxide than the electrolytic cell according to Ex3. This is presumed to be because the electrolytic cells related to Ex1 to Ex2 use a strong base with a pH of 12 or higher as the anode electrolyte, so the anodic reaction expressed by the above formula (6) proceeds quickly. be done.
Ex1およびEx3に係る電解セルにおいて、導入ガスとして(ii)二酸化炭素+飽和水蒸気を使用すると、導入ガスとして(i)二酸化炭素のみを使用した場合と比較して、COの生成量が増加した。したがって、陰極にCoPcを含有する場合、液体としての水が反応場に十分に供給されなくても、CO生成反応が進行することが示唆された。 In the electrolytic cells according to Ex1 and Ex3, when (ii) carbon dioxide + saturated steam was used as the introduced gas, the amount of CO produced increased compared to when only (i) carbon dioxide was used as the introduced gas. Therefore, it was suggested that when the cathode contains CoPc, the CO production reaction proceeds even if water as a liquid is not sufficiently supplied to the reaction field.
なお、本発明者らは、Ex1に係る電解セルにおいて、ガスの生成量が大きくなりすぎる条件では、電極内部からのガス生成による応力が原因と考えられる形態変化が観察されることを見出している。このことから、CoPcを陰極の反応層全体に担持した場合に、二酸化炭素の還元反応が、陰極と陰極電解液との界面だけでなく、陰極の内部でも進行していることが示唆される。 In addition, the present inventors have found that in the electrolytic cell according to Ex1, under conditions where the amount of gas generated is too large, a morphological change is observed, which is thought to be caused by stress due to gas generation from inside the electrode. . This suggests that when CoPc is supported on the entire reaction layer of the cathode, the reduction reaction of carbon dioxide proceeds not only at the interface between the cathode and the catholyte but also inside the cathode.
一方、CoPc以外の金属触媒、例えば金は、一般的に、電極と電解液との界面に触媒が設置されることが多く、反応には、十分な量の液体としての水が必要であると一般的に考えられる。これは、金などの金属触媒では、反応中間体と金属触媒との結合強度が強いために、脱離反応を促進する必要があることが理由の1つであると推測される。 On the other hand, metal catalysts other than CoPc, such as gold, are generally installed at the interface between the electrode and the electrolyte, and a sufficient amount of liquid water is required for the reaction. Generally considered. One of the reasons for this is presumed to be that in the case of a metal catalyst such as gold, the bond strength between the reaction intermediate and the metal catalyst is strong, so that it is necessary to promote the elimination reaction.
図3は、電解セルEx1およびCE1について、電解還元開始後の経過時間と電流との関係を示す図である。測定は、再現性を確認するために、電解セルEx1およびCE1のそれぞれについて、2つの電解セルを用いて行った。図3に示すEx1-1およびEx1-2は、いずれも電解セルEx1の構造を有し、CE1-1およびCE1-2は、いずれも電解セルCE1の構造を有している。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between elapsed time after the start of electrolytic reduction and current for electrolytic cells Ex1 and CE1. The measurements were performed using two electrolytic cells, each of which was Ex1 and CE1, in order to confirm reproducibility. Ex1-1 and Ex1-2 shown in FIG. 3 both have the structure of electrolytic cell Ex1, and CE1-1 and CE1-2 both have the structure of electrolytic cell CE1.
図3に示すように、CE1-1は9180秒、CE1-2は8280秒で電解還元が停止し、電圧を印加しても電流が流れなくなった。一方、Ex1-1は21600秒、Ex1-2は18000秒で電圧印加を停止させるまで、継続して電解還元を行うことができた。 As shown in FIG. 3, electrolytic reduction stopped at 9180 seconds for CE1-1 and at 8280 seconds for CE1-2, and no current flowed even when voltage was applied. On the other hand, electrolytic reduction could be continued until the voltage application was stopped at 21,600 seconds for Ex1-1 and at 18,000 seconds for Ex1-2.
下記表3に、電解セルEx1およびCE1について、電解還元前後の電解液のpHおよび電位差を示す。表3に示すように、電解セルEx1-1およびEx1-2では、電解還元前後におけるpHの変動は小さく、いずれの時点でもpHは13.0以上であった。一方、電解セルCE1-1およびCE1-2では、電解還元終了後の陽極電解液のpHが12.5以下に低下していた。 Table 3 below shows the pH and potential difference of the electrolytic solution before and after electrolytic reduction for electrolytic cells Ex1 and CE1. As shown in Table 3, in the electrolytic cells Ex1-1 and Ex1-2, the pH fluctuation before and after electrolytic reduction was small, and the pH was 13.0 or higher at all times. On the other hand, in electrolytic cells CE1-1 and CE1-2, the pH of the anode electrolyte after electrolytic reduction had decreased to 12.5 or less.
以上のように、Ex1に係る電解セルは、イオン交換膜としてアニオン交換膜を備えることにより、pHの変動を低減し、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができることが示された。 As described above, it was shown that the electrolytic cell according to Ex1, by including an anion exchange membrane as an ion exchange membrane, can reduce pH fluctuations and stably electrolytically reduce carbon dioxide for a long time.
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る二酸化炭素の電解セルは、コバルトフタロシアニンを含有し、二酸化炭素を還元する陰極と、前記陰極に二酸化炭素を供給するガス流路と、前記陰極に接触する陰極電解液を内包可能である陰極室と、前記陰極と対となる陽極と、前記陽極に接触する陽極電解液を内包可能である陽極室と、前記陰極電解液と前記陽極電解液とを分離するアニオン交換膜と、を備える構成である。
〔summary〕
A carbon dioxide electrolytic cell according to
上記の構成によれば、発明者らの鋭意検討の結果、陰極にコバルトフタロシアニンを含有させることにより、二酸化炭素の還元による一酸化炭素の生成を促進するとともに、ギ酸の生成を低減できることが見出された。そのため、pHの変動を低減し、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができる。 According to the above configuration, as a result of intensive studies by the inventors, it was found that by including cobalt phthalocyanine in the cathode, it is possible to promote the production of carbon monoxide through the reduction of carbon dioxide and reduce the production of formic acid. It was done. Therefore, pH fluctuations can be reduced and carbon dioxide can be electrolytically reduced stably for a long period of time.
また、アニオン交換膜で陰極電解液と陽極電解液とを分離することにより、二酸化炭素の還元により生成する水酸化物イオン(OH-)が、陰極室内からアニオン交換膜を通って陽極室内に移動することができる。このとき、陽極では例えば水または水酸化物イオンの酸化により、水素イオン(H+)が生成している。そのため、陰極室内から陽極室内に移動した水酸化物イオン(OH-)が、陽極室内で余剰になった水素イオン(H+)の少なくとも一部を中和することができる。そのため、陰極電解液および陽極電解液のpHの変動を低減し、長時間安定して二酸化炭素を電解還元することができる。 In addition, by separating the catholyte and anolyte electrolytes with an anion exchange membrane, hydroxide ions (OH - ) generated by reduction of carbon dioxide move from the cathode chamber through the anion exchange membrane into the anode chamber. can do. At this time, hydrogen ions (H + ) are generated at the anode, for example, by oxidation of water or hydroxide ions. Therefore, the hydroxide ions (OH − ) that have moved from the cathode chamber to the anode chamber can neutralize at least a portion of the excess hydrogen ions (H + ) in the anode chamber. Therefore, fluctuations in pH of the catholyte and anolyte are reduced, and carbon dioxide can be electrolytically reduced stably for a long period of time.
本発明の態様2に係る電解セルは、上記の態様1において、前記陰極は、表面に疎水性バインダを含有するガス拡散電極である構成としてもよい。
The electrolytic cell according to aspect 2 of the present invention may be configured such that in
上記の構成によれば、陰極を、表面に疎水性バインダを含有するガス拡散電極とすることにより、気体の拡散性を向上することができる。そのため、陰極と二酸化炭素との接触を促進することができる。また、陰極において生成する炭素化合物が気体である場合、気体状の炭素化合物が陰極から離脱することを促進することができる。したがって、電解還元時の陰極における電流密度を向上することができる。 According to the above configuration, by using the cathode as a gas diffusion electrode containing a hydrophobic binder on the surface, gas diffusivity can be improved. Therefore, contact between the cathode and carbon dioxide can be promoted. Further, when the carbon compound generated at the cathode is a gas, it is possible to promote the separation of the gaseous carbon compound from the cathode. Therefore, the current density at the cathode during electrolytic reduction can be improved.
更に、陰極電解液と陰極との接触面積を減少させることができるので、陰極電解液に溶解する二酸化炭素の量を低減することができる。そのため、二酸化炭素のイオン化による炭酸イオン(CO3 2-)の生成量を減少させ、還元のために必要な電圧(過電圧)を減少させることができる。したがって、電解還元時に過電圧の上昇を抑制することができる。 Furthermore, since the contact area between the catholyte and the cathode can be reduced, the amount of carbon dioxide dissolved in the catholyte can be reduced. Therefore, the amount of carbonate ions (CO 3 2− ) produced by ionization of carbon dioxide can be reduced, and the voltage (overvoltage) required for reduction can be reduced. Therefore, an increase in overvoltage can be suppressed during electrolytic reduction.
本発明の態様3に係る電解セルは、上記の態様1または2において、前記陰極は、水を吸着種としたBET比表面積(SAH2O)と窒素を吸着種としたBET比表面積(SAN2)との比(SAH2O/SAN2)が0.010以下である構成としてもよい。
In the electrolysis cell according to
上記の構成によれば、陰極についてSAH2O/SAN2を0.010以下とすることにより、気体の拡散性を向上させることができる。したがって、電解還元時の陰極における電流密度を更に向上することができる。また、陰極電解液と陰極との接触面積を更に減少させることができるので、電解還元に必要な電圧を更に低下させることができる。 According to the above configuration, gas diffusivity can be improved by setting SA H2O /SA N2 to 0.010 or less for the cathode. Therefore, the current density at the cathode during electrolytic reduction can be further improved. Furthermore, since the contact area between the catholyte and the cathode can be further reduced, the voltage required for electrolytic reduction can be further reduced.
本発明の態様4に係る電解セルは、上記の態様1から3のいずれか1つにおいて、前記陰極電解液および陽極電解液は、pHが12以上である構成としてもよい。
The electrolytic cell according to aspect 4 of the present invention may be configured such that in any one of
上記の構成によれば、陰極電解液のpHを12以上とすることにより、電解還元時の陰極における水素(H2)の生成を低減し、COの生成を促進することができる。また、陽極電解液のpHを12以上とすることにより、陽極反応を促進することができる。したがって、電解還元時に必要な電圧を更に低下させることができる。 According to the above configuration, by setting the pH of the catholyte to 12 or more, it is possible to reduce the production of hydrogen (H 2 ) at the cathode during electrolytic reduction and promote the production of CO. Further, by setting the pH of the anolyte to 12 or more, the anodic reaction can be promoted. Therefore, the voltage required during electrolytic reduction can be further reduced.
本発明の態様5に係る電解セルは、上記の態様1から4のいずれか1つにおいて、前記アニオン交換膜は、イオン伝導度が1mS/cm以上である構成としてもよい。
The electrolytic cell according to aspect 5 of the present invention may be configured such that in any one of
上記の構成によれば、アニオン交換膜のイオン伝導度を1mS/cm以上とすることにより、電解還元時に必要な電圧を低下させることができる。 According to the above configuration, by setting the ionic conductivity of the anion exchange membrane to 1 mS/cm or more, it is possible to reduce the voltage required during electrolytic reduction.
本発明は、例えば余剰な電気エネルギーを貯蔵するために利用することができる。 The present invention can be used, for example, to store surplus electrical energy.
1 電解セル
10 陰極
20 ガス流路
30 陰極室
31 陰極電解液
40 陽極
50 陽極室
51 陽極電解液
60 アニオン交換膜
1
Claims (5)
前記陰極に二酸化炭素を供給するガス流路と、
前記陰極に接触する陰極電解液を内包可能である陰極室と、
前記陰極と対となる陽極と、
前記陽極に接触する陽極電解液を内包可能である陽極室と、
前記陰極電解液と前記陽極電解液とを分離するアニオン交換膜と、を備える二酸化炭素の電解セル。 a cathode containing cobalt phthalocyanine and reducing carbon dioxide;
a gas flow path that supplies carbon dioxide to the cathode;
a cathode chamber capable of containing a cathode electrolyte in contact with the cathode;
an anode paired with the cathode;
an anode chamber capable of containing an anode electrolyte in contact with the anode;
A carbon dioxide electrolysis cell comprising: an anion exchange membrane that separates the catholyte and the anolyte.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2022120732A JP2024017826A (en) | 2022-07-28 | 2022-07-28 | carbon dioxide electrolysis cell |
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Publications (1)
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