JP5580837B2 - 二酸化炭素の有機生成物への変換 - Google Patents
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Description
本願は、2009年1月29日出願の米国仮出願第61/206,286号に基づく優先権を主張し、前記出願は引用によって本明細書に援用する。
本発明は、Natural Science Foundation認可番号CHE−0606475により、米国政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
従来、二酸化炭素は光化学的又は電気化学的にギ酸に還元でき、その際ホルムアルデヒドとメタノールがごく少量形成されることは知られている。不均一触媒を用いる二酸化炭素の接触水素化も、メタノールを水のほかギ酸及びホルムアルデヒドと共にもたらす。同じく知られているのは、水素化アルミニウムリチウムなどの複合金属水素化物による二酸化炭素のメタノールへの還元であるが、これは極めて高価であるがゆえにメタノールのバルク製造には向かないプロセスである。このような公知の現行プロセスは高度にエネルギー消費的であり、二酸化炭素からメタノールなどの有機生成物への高収率で経済的な変換のための効率的な方法ではない。
“員環”という用語はあらゆる環状構造を包囲しうる。“員”という用語は、環を構成する骨格原子の数を示すことを意味する。従って、例えば、シクロヘキシル、ピリジン、及びピランは6員環で、シクロペンチル及びピロールは5員環である。
本発明の態様による方法の下記説明においては、別途記載のない限り、プロセスステップは10℃〜50℃の温度及び1〜10気圧の圧力で実施される。また、本明細書中に引用されている何らかの数値範囲は、低値から高値までのすべての値を含む、例えば列挙された最低値と最高値の間の数値のすべての可能な組合せも本願においては明示されていると見なされる、ということも特に理解されるものとする。例えば、濃度範囲又は有益効果範囲が1%〜50%と記述されている場合、2%〜40%、10%〜30%、又は1%〜3%などの値も本明細書においては明示的に列挙されているものとする。これらは、具体的に意図されていることのほんの例である。
CO2 + 2H2O → CH3OH + 3/2O2
と表される。6e−還元の場合、カソード及びアノードにおける反応は、
CO2 + 6H+6e− → CH3OH + H2O(カソード)
3H2O → 3/2O2 + 6H+ + 6e−(アノード)
である。
そして、LはC又はNであり;R1はHであり;LがNの場合、R2はHであるか、又はLがCの場合、R2はRであり;Rは任意の環炭素上の任意の置換基で、H、直鎖又は分枝鎖低級アルキル、ヒドロキシル、アミノ、ピリジルから独立して選ばれるか、又は2個のRはそれらが結合している環炭素と一緒になって縮合6員アリール環となり、そしてn=0〜4である]によって表すことができる。
実施例1:一般的な電気化学的方法
化学薬品及び材料:使用されたすべての化学薬品は純度>98%で、販売者(例えばAldrich)から受け取ったまま、さらに精製することなく使用した。脱イオン水又は高純度水(Nanopure、Barnstead)のいずれかを使用して電解質水溶液を調製した。
化学薬品及び材料:この作業に使用されたすべての化学薬品は分析グレード以上であった。脱イオン水又は高純度水(Nanopure、Barnstead)のいずれかを使用して電解質水溶液を調製した。
電気化学実験は、PAR 173ポテンシオスタット−ガルバノスタットと、他にPAR 379デジタルクーロメーター、PAR 273ポテンシオスタット−ガルバノスタット、又はDLK−60電気化学分析装置も共に用いて実施した。電解は、定電圧条件下で、各実験ごとに比較的類似量の電荷が流れるまで約6〜30時間行われた。
様々なモノ置換ピリジンについて電解を実施した。これらの電極触媒を、50mLの水及び0.5MのKCl(支持電解質として)中に10mMの濃度で存在させた。カソードはPt又は水素化Pdのいずれかで、定電流的に50μAcm−2に保持され、CO2で飽和されていた。電解生成物は上記実施例3に記載の通りに分析した。結果は少なくとも3つの実験の平均であり、これを以下の表1に示す。
様々なジ置換ピリジン又はルチジンについて電解を実施した。これらの電極触媒を、50mLの水及び0.5MのKCl(支持電解質として)中に10mMの濃度で存在させた。カソードはPt又は水素化Pdのいずれかで、定電流的に50μAcm−2に保持され、CO2で飽和されていた。電解生成物は上記実施例3に記載の通りに分析した。結果は少なくとも3つの実験の平均であり、これを以下の表2に示す。
10mMの4,4’−ビピリジンと支持電解質として0.5MのKClを含有する水溶液中で電解を実施した。pHは、CO2飽和下で一定の5.22に維持された。結果は少なくとも3個の独立した実験の平均を表しており、これを以下の表3に示す。
支持電解質として0.5MのKClを含む50mLの水中に10mMのルチジン又はビピリジン電極触媒を含有する水溶液中で光電解を実施した。pHは、CO2飽和下で一定の4.7に維持された。光電気化学セルは、p−GaP、p−GaInP2、又はp−Si光電極であった。p−GaPシステムの場合、最低エネルギー直接バンドギャップ2.8eVに対応するために365nmの波長が選ばれた。2.24eVの間接バンドギャップを有するp−GaPは約17%の太陽放射しか吸収できない。そこで、1.81eVの直接バンドギャップを有するp−GaInP2光電極、及び1.12eVの間接バンドギャップを有するp−Siの両方を、貯蔵化学エネルギーに変換できる太陽放射のパーセンテージを増大できる可能性のある光電極として試験した。市販されている465nm及び530nmの波長をそれぞれp−GaInP2セル及びp−Siセルの照射用として試験した。しかしながら、p−GaInP2及びp−Siを励起するのには、それぞれ約685nm及び約1100nmまでの長さの波長が使用できる。
ベンズイミダゾールを含む様々なイミダゾールについて電解を実施した。これらの電極触媒を、50mLの水及び0.5MのKCl(支持電解質として)中に10mMの濃度で存在させる。カソードはPt又は照射されたp−GaPで、定電流的に50μAcm−2に保持され、CO2で飽和されている。電解生成物は上記実施例3に記載の通りに分析される。
電解を様々な温度及び圧力で実施し、生成物及び収率に及ぼすそれらの影響を究明する。電解を10℃〜50℃の温度で実施する。結果は、電解反応の動力学(速度論)は温度の上昇に伴って増大し、ピーク電流は観察された活性化障壁10〜15kJ/moleを持つアレニウス速度則に従うことを示しているが、CO2の溶解度は温度の上昇に伴って減少する。
要約すると、本発明の態様は、最低限の電気(代替エネルギー源から発生させることができる)を使用するか又は可視光を直接使用して、二酸化炭素を効率的に付加価値生成物に変換できるということを提供する。本発明の態様のプロセスは、化石ベースでない高エネルギー密度燃料を生み出す。しかもそれは化石ベースでも生物ベースでもない化学原料にもなる。さらに、これらのプロセスのための触媒は置換基感受性であるので、付加価値生成物の選択性も提供する。
本発明は以下の態様を含む。
[1]二酸化炭素を変換して少なくとも1つの生成物を提供するための方法であって、
1つのセルコンパートメント中のアノードと、もう1つのセルコンパートメント中のカソード電極と、1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンとを含む分割電気化学セルにおいて、二酸化炭素を還元することを含み、
ただし前記アミンは非置換ピリジンでなく、各コンパートメントは電解質の水溶液を含有する、上記方法。
[2]前記還元が、電気化学的又は光電気化学的である、[1]に記載の方法。
[3]前記還元が電気化学的であり、前記カソードが金属である、[2]に記載の方法。
[4]前記金属が、Au、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pd又はPtである、[3]に記載の方法。
[5]前記カソードが、Pt又は水素化Pdである、[4]に記載の方法。
[6]前記還元が光電気化学的であり、前記カソードが照射に応答性のp型半導体である、[2]に記載の方法。
[7]前記半導体が、p−GaP、p−GaAs、p−InP、p−InN、p−WSe 2 、p−CdTe、p−GaInP 2 又はp−Siである、[6]に記載の方法。
[8]エネルギーが、カソードを光エネルギーで照射することによってセルに供給される、[6]に記載の方法。
[9]前記芳香族ヘテロサイクリックアミン触媒が、式1:
LはC又はNであり;R 1 はHであり;LがNの場合、R 2 はHであるか又はLがCの場合、R 2 はRであり、Rは任意の環炭素上の任意の置換基であってH、直鎖又は分枝鎖低級アルキル、ヒドロキシル、アミノ、ピリジルから独立して選ばれるか、又は2個のRはそれらが結合している環炭素と一緒になって縮合6員アリール環となり;そしてn=0〜4である]によって表され、ただし式1の触媒は非置換ピリジンでない、[1]に記載の方法。
[10]前記芳香族ヘテロサイクリックアミン触媒が、式2:
[11]式1の前記アミンが、低級アルキル置換ピリジン、低級アルキルアミノ置換ピリジン、非置換ビピリジン、低級アルキル置換ビピリジン、ヒドロキシ−ピリジン、ヒドロキシ−ビピリジン、又は低級アルキルアミノ置換ビピリジンである、[5]に記載の方法。
[12]前記アミンが、tertブチル−ピリジン、ジメチル−ピリジン、2,6−ルチジン、2−メチルピリジン、4−メチルピリジン、ジメチルアミノ−ピリジン、4−ヒドロキシピリジン、又は4,4’−ビピリジンである、[7]に記載の方法。
[13]前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、式3:
[14]前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、ピラジン、ピリダジン又はピリミジンである、[13]に記載の方法。
[15]前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、式4:
[16]前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、イミダゾール又はピロールである、[15]に記載の方法。
[17]二酸化炭素を電気化学的又は光電気化学的に還元して少なくとも1つの生成物を製造するためのシステムであって、
アノードを含有する第一のコンパートメントと、金属又はp型半導体であるカソードを有する第二のコンパートメントと、置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンである触媒とを含み、両コンパートメントとも水性電解質を含有する電気化学セルと;
二酸化炭素をカソードに供給するための供給源と;そして
二酸化炭素を還元するためにセルに供給されるエネルギー源と;
を含む、上記システム。
[18]前記金属が、Au、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pd又はPtである、[17]に記載のシステム。
[19]前記カソードが、Pt又は水素化Pdである、[18]に記載のシステム。
[20]前記還元が光電気化学的であり、前記カソードが照射に応答性のp型半導体である、[17]に記載のシステム。
[21]前記半導体が、p−GaP、p−GaAs、p−InP、p−InN、p−WSe 2 、p−CdTe、p−GaInP 2 又はp−Siである、[20]に記載のシステム。
[22]前記エネルギーが、カソードを光エネルギーで照射することによってセルに供給される、[17]に記載のシステム。
[23]前記光エネルギーが、電気エネルギーに変換される、[17]に記載のシステム。
[24]前記置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンが、式1:
LはC又はNであり;R 1 はHであり;LがNの場合、R 2 はHであるか又はLがCの場合、R 2 はRであり、Rは任意の環炭素上の任意の置換基で、H、直鎖又は分枝鎖低級アルキル、ヒドロキシル、アミノ、ピリジルから独立して選ばれるか、又は2個のRはそれらが結合している環炭素と一緒になって縮合6員アリール環となり;そしてn=0〜4である]によって表される、[1]に記載のシステム。
[25]式(1)の前記アミンが、低級アルキル置換ピリジン、低級アルキルアミノ置換ピリジン、非置換ビピリジン、低級アルキル置換ビピリジン、ヒドロキシ−ピリジン、ヒドロキシ−ビピリジン、低級アルキルアミノ置換ビピリジン、非置換又は置換キノリン又はイソキノリン、非置換又は置換イミダゾール、又はベンズイミダゾール、又は置換又は非置換ピロールである、[17]に記載のシステム。
[26]前記少なくとも1つの生成物が、メタノール、イソプロパノール、ギ酸、ホルムアルデヒド、グリオキサール又はエタノールである、[17]に記載のシステム。
[27]二酸化炭素を、化石燃料燃焼発電所又は工場からの排ストリーム、天然ガスに随伴する供給源、又は地熱井から得ることをさらに含む、[1]に記載の方法。
[28]二酸化炭素を電気化学的に還元するための前記電気エネルギーが、原子力、水力発電、風力、地熱又は太陽光発電に基づいた従来エネルギー源から供給される、[1]に記載の方法。
[29]任意の利用可能な供給源の二酸化炭素を電気化学的又は光電気化学的に還元することによってメタノールを製造する環境上有益な方法であって、
第一のセルコンパートメント中のアノードと、1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンである触媒も含有する第二のセルコンパートメント中のカソード電極とを含み、両コンパートメントは電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルを用意し;
二酸化炭素を既存の供給源から第二のセルコンパートメントに供給し;
第二のセルコンパートメント中の二酸化炭素を電気化学的又は光電気化学的に還元してメタノールを製造し、大気中二酸化炭素を削減する;
ことを含む、上記方法。
Claims (11)
- 二酸化炭素を変換して、エタノール、2−プロパノール、アセトン、アセトアルデヒド、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも1つの生成物を提供するための方法であって、
1つのセルコンパートメント中のアノードと、もう1つのセルコンパートメント中のカソード電極とを備え、前記カソードがAu、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pt及び水素化Pdからなる群から選択され、各コンパートメントが電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルであって、前記カソードを含むセルコンパートメントがさらに1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンを前記水溶液中に含む分割電気化学セルにおいて、二酸化炭素を電気化学的に還元することを含み、
エタノール、2−プロパノール、アセトン、アセトアルデヒド、及びこれらの組合せからなる群より選択される少なくとも1つの生成物が、二酸化炭素の還元によって前記電解質中に生成され、かつ
前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、ルチジン、ビピリジン、及びこれらの混合物からなる群より選択される、上記方法。 - 前記カソードが、Pt及び水素化Pdからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記ルチジン及びビピリジンが、2,6−ルチジン及び4,4’−ビピリジンからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 二酸化炭素を変換して、ギ酸、エタノール、2−プロパノール、アセトン、アセトアルデヒド、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも1つの生成物を提供するための方法であって、
1つのセルコンパートメント中のアノードと、もう1つのセルコンパートメント中のカソード電極とを備え、前記カソードがAu、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pt及び水素化Pdからなる群から選択され、各コンパートメントが電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルであって、前記カソードを含むセルコンパートメントがさらに1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンを前記水溶液中に含む分割電気化学セルにおいて、二酸化炭素を電気化学的に還元することを含み、
前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、炭素数が1〜10のアルキル置換ピリジン、炭素数が1〜10のアルキルアミノ置換ピリジン、非置換ビピリジン、炭素数が1〜10のアルキル置換ビピリジン、ヒドロキシ−ピリジン、ヒドロキシ−ビピリジン、又は炭素数が1〜10のアルキルアミノ置換ビピリジンである、上記方法。 - 二酸化炭素を変換して、ギ酸、エタノール、2−プロパノール、アセトン、アセトアルデヒド、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも1つの生成物を提供するための方法であって、
1つのセルコンパートメント中のアノードと、もう1つのセルコンパートメント中のカソード電極とを備え、前記カソードがAu、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pt及び水素化Pdからなる群から選択され、各コンパートメントが電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルであって、前記カソードを含むセルコンパートメントがさらに1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンを前記水溶液中に含む分割電気化学セルにおいて、二酸化炭素を電気化学的に還元することを含み、
前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、式3で表されるピラジン、ピリダジン、又はピリミジンである:
- 二酸化炭素を変換して、ギ酸、エタノール、2−プロパノール、アセトン、アセトアルデヒド、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも1つの生成物を提供するための方法であって、
1つのセルコンパートメント中のアノードと、もう1つのセルコンパートメント中のカソード電極とを備え、前記カソードがAu、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pt及び水素化Pdからなる群から選択され、各コンパートメントが電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルであって、前記カソードを含むセルコンパートメントがさらに1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンを前記水溶液中に含む分割電気化学セルにおいて、二酸化炭素を電気化学的に還元することを含み、
前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、式4:
- 前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、イミダゾール又はピロールである、請求項6に記載の方法。
- 二酸化炭素を、化石燃料燃焼発電所又は工場からの排ストリーム、天然ガスに随伴する供給源、又は地熱井から得ることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 二酸化炭素を電気化学的に還元するための前記電気エネルギーが、原子力、水力発電、風力、地熱又は太陽光発電に基づいた従来エネルギー源から供給される、請求項1に記載の方法。
- 二酸化炭素を変換して、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、アセトアルデヒド、及びこれらの混合物からなる群より選択される少なくとも1つの生成物を提供するための方法であって、
1つのセルコンパートメント中のアノードと、もう1つのセルコンパートメント中のカソード電極とを備え、前記カソードがAu、Ag、Zn、Ga、Hg、In、Cd、Ti、Pt及び水素化Pdからなる群から選択され、各コンパートメントが電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルであって、前記カソードを含むセルコンパートメントがさらに1以上の置換又は非置換芳香族ヘテロサイクリックアミンを前記水溶液中に含み、かつ各コンパートメントが電解質の水溶液を含有する分割電気化学セルにおいて、二酸化炭素を電気化学的に還元することを含み、
前記芳香族ヘテロサイクリックアミンが、式3で表されるピラジン、ピリダジン、またはピリミジンである:
- 前記カソードがGa、In、Pt及び水素化Pdからなる群から選択される、請求項1、4〜6、または10のいずれかに記載の方法。
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