JP6667615B2

JP6667615B2 - 金属含有クラスター触媒並びにこれを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置

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Publication number: JP6667615B2
Application number: JP2018508941A
Authority: JP
Inventors: 吉則風間; 英樹會澤; 俊夫谷; 稲森　康次郎; 康次郎稲森
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2037-03-13
Also published as: CN108778492A; WO2017169682A1; JPWO2017169682A1; US20190032231A1

Description

本発明は、金属含有クラスター触媒並びにこれを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置に関するものである。

一般に、触媒とは、化学反応を起こす物質系の反応速度を変え、自らは化学変化しない物質をいい、触媒の種類（材料や形態など）によって特定の化学反応への選択性や、反応効率が異なる。

また、触媒材料としては、金属材料が広く用いられており、特に反応性の良さから貴金属材料が重用されている。例えば、特許文献１では、特定の反応において選択性のある貴金属触媒が開示されている。また、近年では、酸化物触媒も着目されてきており、特許文献２では、触媒活性および選択性に優れた酸化物触媒が開示されている。

特開２００７−０９０１６４号公報特開２００７−３０１４７０号公報

しかしながら、二酸化炭素の還元反応においては、選択性をもった化学反応の制御が未だ十分にできておらず、目的物を高い反応効率で得ることはできていなかった。そのため、高い選択性をもって二酸化炭素の還元反応を制御できる触媒の開発が望まれている。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い触媒活性および選択性をもって二酸化炭素の還元反応を促進・制御することが可能な金属含有クラスター触媒並びにこれを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解消するために鋭意検討した結果、ある特定の金属を含んでなる金属含有クラスター触媒が二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発現することを見出した。

すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
［１］二酸化炭素を還元するために用いられる触媒であって、
前記触媒が、金、銀、銅、白金、ロジウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、イリジウムおよびルテニウムから選択される１種の金属原子（Ｍ）を含んでなるクラスターである、金属含有クラスター触媒。
［２］前記クラスターが、前記金属原子（Ｍ）を含む金属酸化物からなる、上記［１］に記載の金属含有クラスター触媒。
［３］前記クラスターが、下記一般式（１）で表される、金属単体または金属酸化物からなる、上記［１］または［２］に記載の金属含有クラスター触媒。
Ｍ_ｎＯ_ｍ・・・（１）
但し、前記式（１）において、Ｍは、前記金属原子（Ｍ）を表し、ｎおよびｍは整数であり、ｎは３０以下であり、ｍはｎとの関係でｍ／ｎ比が０〜２である。
［４］前記式（１）において、ｍは、ｎとの関係で、ｍ／ｎが０．５〜１．５となる整数である、上記［３］に記載の金属含有クラスター触媒。
［５］前記クラスターの一次粒径が０．１〜３．０ｎｍである、上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の金属含有クラスター触媒。
［６］上記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の金属含有クラスター触媒を含む、二酸化炭素還元用電極。
［７］上記［６］に記載の二酸化炭素還元用電極を備える、二酸化炭素還元装置。

本発明の金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発現する。

図１は、電解装置１の構成を示すブロック図である。図２（ａ）は、電解セル３の構成を示す概略図であり、図２（ｂ）は電解セル３ａの構成を示す図である。図３は、本発明の比較例に係る銅多孔質体を有する電極を作製する際に用いた電極生成装置２７を示す全体概略図である。図４は、実施例において、還元試験を行った際の還元試験装置５０を示す概略図である。図５は、図４の還元試験装置５０の電解セル５３部分（Ｈ部）を拡大して示す概略図である。

本発明に従う金属含有クラスター触媒と、これを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置の実施形態について、以下で詳細に説明する。

本実施形態に係る金属含有クラスター触媒は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、イリジウム（Ｉｒ）およびルテニウム（Ｒｕ）から選択される１種の金属原子（Ｍ）を含んでなるクラスターであることを特徴とする。なお、ここでいう「クラスター」とは、複数個の原子が結合した原子集団である。

このような金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発現するため、二酸化炭素を還元するための触媒として好適に用いられる。

本実施形態に係るクラスターに含まれる金属原子（Ｍ）は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＩｒおよびＲｕから選択される１種である。このようなクラスター（以下、「金属含有クラスター」という。）は、二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発揮する。中でも、金属原子（Ｍ）は、優れた還元性能の観点からＣｕ、Ａｇ、ＰｄおよびＡｕから選択される１種であることが好ましく、特に、二酸化炭素の還元反応において選択的に炭化水素（メタンやエチレン等）を生成できる点で、Ｃｕであることがより好ましい。

また、金属含有クラスターは、上記のような金属原子（Ｍ）を含むものであれば特に限定されず、金属原子（Ｍ）の単体、金属原子（Ｍ）を含む合金、金属原子（Ｍ）を含む金属酸化物あるいは金属原子（Ｍ）を含む複合酸化物のいずれからなるクラスターであってもよい。なお、金属原子（Ｍ）を含む合金または複合酸化物は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＩｒおよびＲｕから選択される少なくとも１種の金属原子を含む合金または複合酸化物であればよく、上記から選択される２種以上の金属原子を含む合金または複合酸化物、あるいは金属原子（Ｍ）と合金化または複合化し得る上記以外の金属原子を含む合金または複合酸化物であってもよい。また、金属含有クラスターは、特に金属原子（Ｍ）を含む金属酸化物からなることが好ましい。

また、金属含有クラスターは、下記一般式（１）で表される、金属原子（Ｍ）の単体または金属原子（Ｍ）を含む金属酸化物からなることが好ましい。
Ｍ_ｎＯ_ｍ・・・（１）
上記（１）式において、Ｍは上述の金属原子（Ｍ）を、Ｏは酸素原子を表す。
また、ｎおよびｍは、整数である。

さらに上記（１）式において、ｎは３０以下が好ましく、より好ましくは１５以下である。また、ｎは６以上が好ましく、より好ましくは９以上である。上記範囲とすることにより、クラスターサイズの制御とともに、酸化度（価数）の制御を行うことができる。

また、上記（１）式において、ｍは、ｎとの関係で、ｍ／ｎの比が０〜２であることが好ましく、より好ましくは０．５〜１．５、さらに好ましくは０．５５〜０．７５である。上記範囲とすることにより、クラスター特有の酸化度となることで、触媒性能が増大する。なお、上記（１）式において、ｍ／ｎが０のとき、金属含有クラスターは、金属原子（Ｍ）の単体からなる。

また、金属含有クラスターの一次粒径は、０．１〜３．０ｎｍであることが好ましく、より好ましくは、０．５〜２．０ｎｍ、更に好ましくは０．６〜１．２ｎｍである。上記範囲とすることにより、金属含有クラスターの粒子全体の表面積の増大とともに、クラスター特有の酸化度を得ることで、触媒性能が増大する。なお、一次粒径の測定は、質量分析法（ＭＳ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や動的光散乱法（ＤＬＳ）などによって行う。

このような金属含有クラスターは、公知の方法によって、液相中または気相中で製造することができる。液相中で製造する方法としては、デンドリマーを用いる方法等が挙げられる。また、気相中で製造する方法としては、イオンスパッタリング法、プラズマ放電法、レーザー蒸発法（レーザーアブレーション）等が挙げられる。中でも、特殊な価数を有する金属原子（Ｍ）を含む金属含有クラスターを効率よく製造する観点からは、レーザーアブレーションまたはデンドリマーを用いる方法により製造することが好ましい。

ここで、レーザーアブレーションとは、強いレーザー光を固体表面に照射し、局所的に高温となった表面層が蒸発することで、クラスターが飛散する現象である。なお、レーザースパッタリングと言うこともある。なお、レーザーアブレーションを行う装置は、特に限定されず、公知の装置を用いて行うことができる。

また、デンドリマーを用いる方法は、特に限定されず、公知方法により用いて行うことができる。例えば、デンドリマーを含む溶液と、目的の金属含有クラスターに対応する金属化合物の溶液とを混合してデンドリマーの金属錯体を合成し、（１）水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を用いた還元や、電気化学的還元、光化学的還元等により、上記金属錯体を還元し、デンドリマー上で金属を析出させる方法や、（２）上記デンドリマー金属錯体を含む溶液を加熱して溶媒を除去し、デンドリマー上に金属またはその塩を析出させる方法などにより、金属クラスターを生成できる。なお、デンドリマーとしては、例えば、ポリアミドアミン（ＰＡＭＡＭ）デンドリマーや、ポリプロピレンイミン（ＰＰＩ）デンドリマー、フェニルアゾメチンデンドリマー（ＤＰＡ）等が挙げられる。また、金属化合物としては、例えば、目的の金属含有クラスターに対応する金属の塩化物や、硝酸塩などが挙げられる。また、溶媒は、例えば水やアルコール等の公知の溶媒を用いることができる。

さらに、上記のようにして得られた金属含有クラスターを、焼成することにより、金属含有クラスター内包の炭素材料が得られる。このような焼成は、高温（例えば４００℃以上）で行う場合には、窒素や、アルゴンをはじめとする希ガス等の不活性ガス雰囲気下で、また、比較的低温（例えば２００℃以上）で行う場合には、大気中で行うことができる。また、上記のような焼成の後、水素等の還元雰囲気下で、さらに熱処理することもできる。

また、本実施形態に係る金属含有クラスター触媒の使用形態は特に限定しないが、好ましくは担体に担持して複合体材料として用いることが好ましい。

担体は、特に限定されず、例えば、カーボンや金属、半導体、セラミック、高分子などが挙げられる。担体は、複合材料の用途や使用環境等に応じて適宜選択すればよく、具体的には、複合材料を導電材料として使用する場合には、カーボンや金属を担体とすることが好ましく、複合材料を光触媒として使用する場合には、半導体を担体とすることが好ましい。

また、担体として用いる高分子としては、例えば、鎖状高分子や単一高分子等を好適に用いることができる。鎖状高分子としては、例えばポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）やポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等が上げられ、単一高分子としては、例えばフェリチンや、チオラート、ホスフィン、アルキン等が挙げられる。

また、本実施形態に係る金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素還元用の電極の材料として好適に用いることができる。したがって、本実施形態に係る二酸化炭素還元用電極は、上記のような金属含有クラスター触媒を含むことが好ましい。電極の形成方法は特に限定されず、公知の方法により行うことができる。

具体的には、たとえば、上記デンドリマーを使用した金属含有クラスター内包の炭素材料を溶媒に分散させ、これに結着剤と混合し、さらに必要に応じて導電材を混合して塗料化し、それを集電体やイオン交換膜等に直接塗布し、乾燥させることで、金属含有クラスター触媒を含む電極を作製することができる。

なお、結着剤は、特に限定されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ）とスチレンブタジエンコポリマー（ＳＢＲ）の混合物、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられる。

このような本発明に係る金属含有クラスター触媒を含む電極は、後述する二酸化炭素還元装置のカソード電極として好適に用いることができる。

本実施形態に係る二酸化炭素還元装置は、上記のような二酸化炭素還元用電極を備えることが好ましい。装置の形成方法は特に限定されず、公知の方法により行うことができる。

以下、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置の一例として、図１に示す電解装置１について説明する。図１において、電解装置１は、主に、電解セル３、ガス回収装置５、電解液循環装置７、二酸化炭素供給部９、電源１１等で構成されている。なお、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置は、図１の構成に限定されないことはいうまでもなく、必要に応じて適宜変更して用いることができる。

電解セル３は、対象物質を還元する部位であり、本実施形態においては、特に二酸化炭素（溶液において、炭酸イオンまたは炭酸塩である場合も含む。以下、単に二酸化炭素等とする。）を還元する部位である。電解セル３には、電源１１から電力が供給される。なお、電解セル３の詳細については後述する。

電解液循環装置７は、電解セル３のカソード電極に対して、カソード側電解液を循環させる部位である。

二酸化炭素供給部９は、例えば二酸化炭素を貯留するタンク等であり、二酸化炭素を保持するとともに、所定量の二酸化炭素を電解液循環装置７に供給可能である。なお、二酸化炭素に代えて、すでに炭酸イオン、炭酸塩等の形態とされた溶液を保持し、所定の量を電解液循環装置７に供給することもできる。

ガス回収装置５は、電解セル３によって還元されて発生したガスを回収する部位である。ガス回収装置５では、電解セル３のカソード電極で発生する炭化水素等のガスを捕集することが可能である。なお、ガス回収装置５において、ガス種類毎にガスを分離可能としてもよい。

電解装置は、以下のように機能する。前述の通り、電解セルには電源からの電解電位が付与される。電解セルのカソード電極には、電解液循環装置によって電解液が供給される。電解セルのカソード電極においては、供給される電解液中の二酸化炭素等が還元される。二酸化炭素等が還元されると、主にエタンやエチレン等の炭化水素が生成される。

カソード電極で生成された炭化水素ガスは、ガス回収装置により回収される。ガス回収装置では、必要に応じてガスを分離し貯留することが可能である。

カソード電極で二酸化炭素等が還元されて消費されることで、電解液中の二酸化炭素等の濃度が減少する。還元反応によって減少した二酸化炭素等は常に補充され、その濃度は常に所定範囲内に保たれる。具体的は、電解液の一部が電解液循環装置により回収されて、所定濃度の電解液が常に供給される。以上により、電解セル３において、常に一定の条件で炭化水素を生成することができる。

次に、電解セル３について詳細を説明する。図２（ａ）は、電解セル３の構成の一例を示す図である。電解セル３は、主に、カソード槽である槽１６ａ、金属メッシュ１７、カソード電極１９、イオン交換膜２１、電解質２３、アノード電極２５、アノード槽である槽１６ｂ等から構成される。なお、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置の電気セルは、図２（ａ）の構成に限定されないことはいうまでもなく、必要に応じて適宜構成を変更して用いることができる。

カソード槽１６ａ、アノード槽１６ｂには、それぞれ電解液１５ａ、１５ｂが保持される。カソード電極側の槽１６ａの上部には、生成ガスを回収するための孔が形成され、図示を省略したガス回収装置に接続される。すなわち、カソード電極で生成されるガスは、当該孔から回収される。また、カソード槽１６ａには、配管等が接続され、図示を省略した電解液循環装置７と接続される。すなわち、カソード槽１６ａ内の電解液１５ａは常に電解液循環装置７によって循環可能である。なお、必要に応じて、アノード槽１５ｂ側の電解液も同様に循環可能としてもよい。

カソード電解液である電解液１５ａとしては、二酸化炭素等を多量に溶解できる電解液であることが好ましく、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性溶液、モノメタノールアミン、メチルアミン、その他液状のアミン、またはそれら液状のアミンと電解質水溶液の混合液などが用いられる。また。アセトニトリル、ベンゾニトリル、塩化メチレン、テトラヒドロフラン、炭酸プロピレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール等を用いることができる。

ここで、電解質水溶液としては特に制限されないが、例えば、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液などを用いることができる。

また、アノード電解液である電解液１５ｂとしては特に制限はないが、例えば、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸水素カリウム水溶液などを用いることができる。

金属メッシュ１７は、電源の負極側に接続され、カソード電極１９に対して通電するための部材である。金属メッシュ１７としては、例えば銅製のメッシュやステンレス製のメッシュであり、例えばステンレスＳＵＳ３０４４００ｍｅｓｈ（厚さ２５μｍ、株式会社ニラコ製）が使用できる。

イオン交換膜２１としては特に制限はないが、例えば、炭化水素系、パーフルオロカーボン系などを用いることがでる。特に望ましくは、陰イオン交換膜であり、ナフィオン膜やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）膜等を用いることができ、例えば、旭硝子株式会社製の「セレミオン（登録商標）ＡＭＶ」を用いることができる。イオン交換膜２１は、後述するカソード電極１９を製造する際に用いられ、カソード電極１９を構成する金属含有クラスター触媒の担持部材としての機能を奏する。また、担持部材としてイオン交換膜を用いれば、後述する電解時の還元部の構成が容易となる。

電解質２３は、必要に応じて設けられる。イオン交換膜２１と後述するアノード電極２５との間に介在する電解質２３としては、特に制限はないが、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートのような高分子電解質や、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液などを用いることができる。

アノード電極２５は電源の正極に接続される。アノード電極２５としては特に制限はないが、例えば、チタン、白金、白金コートしたチタン（Ｔｉ／Ｐｔ）、ステンレス、銅、炭素等を用いることができる。特に、劣化が少ない点からＴｉ／Ｐｔが好ましい。形状としては、特に制限はなく、板状やパンチングメタル、メッシュ状、不織布状のものが用いることができるが、電解セルの厚みを薄くする観点、および電解セルの形状が湾曲状であっても用いることができる観点から不織布状が好ましい。

カソード電極１９には、本発明に係る金属含有クラスター触媒を含む電極が用いられる。本発明に係る金属含有クラスター触媒を含む電極を、カソード電極１９として用いることにより、二酸化炭素の還元量を増加できると共に、二酸化炭素の還元反応を選択的に制御でき、選択性の面でも還元効率を向上できる。

ここで、本実施形態に係る電解セルとしては、図２（ｂ）に示すような電解セル３ａを用いることもできる。電解セル３ａは、電解セル３と略同様の構成であるが、板状の各要素が積層される電解セル３に対して、各要素が略同心円上に中心から径方向の外周に順次配列される。なお、電解セル３ａを構成するそれぞれの要素は、電解セル３を構成する要素と同様であるため重複する説明を省略する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

次に、本発明の効果をさらに明確にするために、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、フェニルアゾメチンデンドリマーのクロロホルム溶液と、デンドリマーに対し１２モル当量の塩化銅のアセトン溶液とを混合することで、フェニルアゾメチンデンドリマー銅錯体を合成した。次いで、この溶液に、過剰量の水素化ホウ素ナトリウムを添加して、フェニルアゾメチンデンドリマー銅錯体を還元し、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターを合成した。また、合成したフェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターを窒素雰囲気下で焼成することによって、銅含有クラスターを内包した炭素材料を合成した。

さらに、得られた銅含有クラスターを内包した炭素材料を、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（Ｎ−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ、ＮＭＰ）に分散し、この分散液に結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を加えて混合して塗料化し、これをイオン交換膜上に塗布して乾燥させ、銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。

（実施例２）
実施例２は、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターの焼成雰囲気を、窒素雰囲気に替えて大気雰囲気とし、焼成温度を実施例１より低温とした以外は、実施例１と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。

（実施例３）
実施例３は、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターの焼成温度を、実施例１より低温とした以外は、実施例１と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。

（実施例４）
実施例４は、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターを、窒素雰囲気での焼成後に、水素雰囲気でさらに焼成した以外は、実施例１と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。

（実施例５）
実施例５は、フェニルアゾメチンデンドリマーのクロロホルム溶液と、デンドリマーに対し１２モル当量の硝酸銀のアセトン溶液とを混合することで、フェニルアゾメチンデンドリマー銀錯体を合成したこと以外は、実施例１と同様の方法で、銀含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銀含有クラスター触媒を含む電極を作製した。

（比較例１）
比較例１では、以下に示す方法により、無電解メッキ法によってイオン交換膜上に銅を析出させ、析出した銅粒子が集合した銅多孔質体を有する電極を得た。
まず、図３に示す電極製造装置２７の槽２９ａには、５ｍｍｏｌ／Ｌの酢酸銅水溶液３０ｍＬを入れ、槽２９ｂには１２質量％水酸化ホウ素ナトリウム溶液（１４ｍｏｌ／ＬのＮａＯＨ、Ａｌｄｒｉｃｈ社製）１４２μＬおよび蒸留水２９．８５８ｍＬの混合溶液を入れた。このような構成の電極製造装置２７を室温で１時間静置し、無電解メッキ法によってイオン交換膜２１上に銅を析出させ、銅多孔質体を有する電極を得た。

（比較例２）
比較例２は、比較例１で作製した電極を大気雰囲気にて焼成したこと以外は、比較例１と同様の方法で、銅多孔質体を有する電極を得た。

（比較例３）
比較例３は、比較例１で作製した電極を窒素雰囲気にて焼成したこと以外は、比較例１と同様の方法で、銅多孔質体を有する電極を得た。

（比較例４）
比較例４は、比較例１の５ｍｍｏｌ／Ｌの酢酸銅水溶液３０ｍＬを、５ｍｍｏｌ／Ｌの硝酸銀水溶液３０ｍＬに変更し、銀多孔体を有する電極を作製した以外は、比較例１と同様の方法を行った。

［評価］
上記実施例および比較例に係る触媒について、下記に示す特性評価を行った。各特性の評価条件は下記の通りである。結果を表１に示す。

［１］組成および金属（Ｍ）の価数
触媒を構成する上記金属含有クラスターおよび金属含有多孔質体について、誘導結合プラズマ試料分析法、Ｘ線光電子分光を用いて組成分析および価数の評価を行った。
また、分析用サンプルは、実施例１〜５は電極作製前の銅含有クラスターを含む炭素材料とし、比較例１〜４はイオン交換膜上の多孔体部を削り取って分離した金属材料とした。

［２］一次粒径
実施例１〜５は電極作製前の金属含有クラスターを含む炭素材料について、また、比較例１〜４はイオン交換膜上から、採取した金属含有多孔質体について、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、日本電子株式会社製）を用いて、一次粒子（他の粒子と凝集していない、単独の粒子）の輪郭が明確に認識できる倍率で、それぞれの粒子を撮影し、各実施例および比較例毎に、次の解析を行った。まず、撮影された画像から、無作為に１００個の粒子（一次粒子）を選択し、画像処理装置により、粒子毎の投影面積を求め、それらの合計から粒子の合計の占有面積を算出した。この合計の占有面積を、選択した粒子の個数（１００個）で割って、１粒子あたりの平均占有面積を算出し、この面積に相当する円の直径（１粒子あたりの平均円相当直径）を、一次粒径とした。

［３］還元試験；ガス濃度および電流効率
還元試験は、図４に示す炭酸ガスの還元試験装置５０を用いて行った。ここで、上記実施例および比較例に係る電極は、カソード電極６９ａとして用いられた。なお、図５は、電解セル５３を示す図で、図４のＨ部拡大図である。還元試験装置５０は主に、第１槽５１ａ、第２槽５１ｂ、電解セル５３、電源５５、分析管５９、供給管６１等から構成される。

二つの槽５１ａ、５１ｂは電解セル５３により仕切られる。第１槽５１ａ、第２槽５１ｂには、それぞれ、炭酸水素ナトリウム５７が入れられる。炭酸水素ナトリウム溶液５７としては、５０ｍｍｏｌ／Ｌ炭酸水素ナトリウム溶液を用い、各槽に３０ｍＬの溶液を用いた。第１槽５１ａ側は、上部を蓋で密封され、蓋を貫通するように供給管６１および分析管５９が設けられる。供給管６１は図示を省略した二酸化炭素の供給源と接続されており、端部が、炭酸水素ナトリウム溶液５７に浸漬される。供給管６１の端部は、第１槽５１ａの下底部近傍まで延設される。第１槽５１ａ内の炭酸水素ナトリウム溶液５７は、供給管６１からの二酸化炭素の供給により、常に撹拌され、その濃度は、略一定に保たれる。したがって、第１槽５１ａ内の炭酸水素ナトリウム溶液５７を循環するものと同一の効果を得ることができる。

分析管５９の端部は、蓋部を貫通し、炭酸水素ナトリウム溶液５７には接することなく、蓋部と溶液水面との間の気体部に配置される。すなわち、分析管５９は発生したガス等を収集することができる。なお、分析管５９は、図示を省略したガス分析装置に接続され、収集されたガスは分析装置に導出される。

図５に示すように、電解セル５３は、イオン交換膜６５上にカソード電極である銅含有クラスター触媒６３（これは、実施例の電極の場合である。比較例の電極場合には、銅多孔質体６３である。以下において同じ。）が形成されており、銅含有クラスター触媒６３を挟み込むように、金属メッシュ７３が設けられる。すなわち、第１槽５１ａ側から順に、金属メッシュ、銅含有クラスター触媒、イオン交換膜と配置され、カソード電極６９ａ、アノード電極６９ｂで挟み込まれる。さらにカソード電極６９ａ、アノード電極６９ｂの外側からシール部材７１で挟み込まれ、図示を省略したクランプ等で固定される。

ここで、シール部材７１としては、ゴムパッキンを用いた。カソード電極６９ａは金属メッシュ７３に通電する部材であり、リング状のＴｉ／Ｐｔ電極を用いた。金属メッシュ７３は、銅メッシュであり銅含有クラスター触媒６３と電気的に接触するとともに、自らもカソードとして機能する。なお、銅メッシュは「銅１００ｍｅｓｈ金網」（厚さ０．１１ｍｍ、株式会社ニラコ製）を用いた。銅含有クラスター触媒６３は、上記実施例（または比較例）で作製された電極である。イオン交換膜６５としては、旭硝子株式会社製の「セレミオン（登録商標）ＡＭＶ」を用いた。

アノード電極６９ｂは、アノード電極である金属性不織布６７を保持して、金属性不織布６７と電気的に接触するリング状のＴｉ／Ｐｔ電極を用いた。なお、金属製不織布６７は、Ｐｔ製の不織布を用いた。すなわち、リング状のアノード電極６９ｂのリング内に、金属不織布６７が保持される。

図４に示すように、カソード電極６９ａ、アノード電極６９ｂは、電源５５に接続される。還元試験においては、カソード電極６９ａをカソードとし、アノード電極６９ｂ側をアノードとして、電流値２ｍＡ、電圧２．８Ｖで６０分の電気分解を行った。

この際、金属メッシュ７３および銅含有クラスター触媒６３側（イオン交換膜６５とは逆側）の槽６９ａ内に、供給管６１より、二酸化炭素ガスを１０ｍＬ／分でバブリングした（図中矢印Ｆ方向）。また、カソードより発生したガスを分析管５９により収集し（図中矢印Ｇ方向）、ガスクロマトグラフィーで分析を行った。カラムは、ＳＵＰＥＬＣＯＣＡＲＢＯＸＥＮ１０１０ＰＬＯＴ３０ｍ×０３２ｍｍｌＤを用い、検出機はＦＩＤを用いた。

カソード電極における反応としては、以下に示したメタン、エチレン、エタンの生成について注目した。
ＣＯ_２＋８Ｈ^＋＋８ｅ⁻ → ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ
ＣＯ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻ → Ｃ_２Ｈ_４＋４Ｈ_２Ｏ
ＣＯ_２＋１４Ｈ^＋＋１４ｅ⁻ → Ｃ_２Ｈ_６＋４Ｈ_２Ｏ

アノード電極における反応は、以下の通りである。
２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２

さらに、得られた生成物のガス量と、入力した電流に基づき、電流効率（ファラデー効率）を算出した。

表１に示されるように、金属含有クラスター触媒（実施例１〜５）は、多孔質体の触媒（比較例１〜４）と比較して、触媒活性に優れていることが確認された。

具体的には、実施例１〜４に係る銅含有クラスター触媒は、同じく銅を用いた比較例１〜３に係る多孔質体の触媒に比べて、二酸化炭素の還元による生成物量が多く、触媒活性に優れていることが確認された。

また、実施例５に係る銀含有クラスター触媒は、同じく銀を用いた比較例４に係る多孔質体の触媒に比べて、二酸化炭素の還元による生成物量が多く、触媒活性に優れていることが確認された。

また、銅含有クラスター触媒（実施例１〜４）は、銀含有クラスター触媒（実施例５）に比べて、二酸化炭素の還元反応による炭化水素（メタン、エチレン、エタン）の生成量が多く、炭化水素の選択性に優れていることが確認された。

（実施例６〜２７）
実施例６〜２７は、フェニルアゾメチンデンドリマーの世代数、原料の当量、およびフェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターの焼成条件等を適宜変更した以外は、実施例１と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製し、実施例１と同様の評価を行った。結果を表２に示す。なお、表２中、実施例１〜４は、表１に示したものと同じである。

表２に示されるように、Ｃｕ_ｎＯ_ｍで表される銅含有クラスターは、ｍ／ｎの比が、０．６７である場合に、特に優れた触媒活性を示すことが確認された（実施例１、６、９、１５および２７）。このようなｍ／ｎの比が０．６７のＣｕ_ｎＯ_ｍで表される銅含有クラスターの中でも、特にｎが１２のとき（実施例１）、全ての生成物を最も多く生成できており、触媒効率が特に優れていることが確認された。

１………電解装置
３、３ａ………電解セル
５………ガス回収装置
７………電解液循環装置
９………二酸化炭素供給部
１１………電源
１３………セパレータ
１５ａ、１５ｂ………電解液
１６ａ、１６ｂ………槽
１７………金属メッシュ
１９………カソード電極
２１………イオン交換膜
２３………電解質
２５………アノード電極
２７………電極生成装置
２９ａ、２９ｂ………槽
３１………シール部材
３３………還元剤水溶液
３５………銅イオン水溶液
５０………還元試験装置
５１ａ、５１ｂ………槽
５３………電解セル
５５………電源
５７………炭酸水素ナトリウム溶液
５９………分析管
６１………供給管
６３………銅含有クラスター触媒または銅多孔質体
６５………イオン交換膜
６７………金属性不織布
６９ａ、６９ｂ………電極
７１………シール部材
７３………金属メッシュ

Claims

電解により二酸化炭素を還元するための電極材料として用いられる触媒であって、
前記触媒が、銀および銅から選択される１種の金属原子（Ｍ）を含んでなるクラスターであり、前記クラスターが、前記金属原子（Ｍ）を含む金属酸化物からなる、金属含有クラスター触媒。
前記金属原子（Ｍ）が銅である、請求項１に記載の金属含有クラスター触媒。
前記クラスターが、下記一般式（１）で表される金属酸化物からなる、請求項１または２に記載の金属含有クラスター触媒。
Ｍ_ｎＯ_ｍ・・・（１）
但し、前記式（１）において、Ｍは、前記金属原子（Ｍ）を表し、ｎおよびｍは整数であり、ｎは３０以下であり、ｍはｎとの関係でｍ／ｎ比が０．５〜２である。
前記式（１）において、ｍは、ｎとの関係で、ｍ／ｎ比が０．５〜１．５となる整数である、請求項３に記載の金属含有クラスター触媒。
前記クラスターの一次粒径が０．１〜３．０ｎｍである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属含有クラスター触媒。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属含有クラスター触媒を含む、二酸化炭素還元用電極。
請求項６に記載の二酸化炭素還元用電極を備える、二酸化炭素還元装置。