JP6686590B2 - 二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置 - Google Patents
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Description
図1には、本実施形態に係る二酸化炭素還元用電極1を用いる電解装置(二酸化炭素還元装置)の模式図を示す。反応セル4には、電解質、二酸化炭素ガスが溶解された水溶液が貯留され、水溶液中に一対の電極(二酸化還元用電極(陰極)1、酸化電極(陽極)2)が浸漬される。そして、二酸化炭素還元用電極1と酸化電極2は直流電源3を介し接続される。二酸化炭素還元用電極1にはマイナス電圧が印加され、酸化電極2にはプラス電圧が印加される。二酸化炭素還元用電極1の表面には二酸化炭素還元用のMn錯体触媒が配置されている。なお、二酸化炭素還元用電極1側の部屋と、酸化電極2側の部屋は、イオン交換膜などで仕切ってもよい。
図2は、実施形態に係る二酸化炭素還元用電極1の構成を示す模式図である。ガラス基板10の一面側にステンレス(SUS)からなる電極基材12を配置する。この電極基材12上に端部(図における上端部)に銅線14が接続されたCuテープ16を貼り付ける。
ここで、触媒層18(Mn錯体触媒塗布カーボンペーパー18b)に用いられるMn錯体触媒としては、diimine配位子に電子吸引性の置換基であるカルボン酸エステルを導入したものが好適である。具体的には、下記化学式のMn錯体触媒(Mn{4,4'-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bypyridine}(CO)3MeCN]+)が挙げられる。
電極基材12と、Mn錯体触媒塗布カーボンペーパー18bとの間には、カーボンナノチューブ層18aが配置されている。すなわち、Mn錯体触媒は、Mn錯体触媒塗布カーボンペーパー18b上に塗布形成されるため、Mn錯体触媒と電極基材12との間に、カーボンペーパーとカーボンナノチューブ層18aが介在している。
図3には、他の構成例に係る二酸化炭素還元用電極1が示されている。この例では、Mn錯体触媒塗布カーボン層18cを有している。このMn錯体触媒塗布カーボン層18cは、このカーボンナノチューブの層にMn錯体触媒を塗布することで、両者が混合されている。このようなMn錯体触媒の触媒層18においても、電極基材12と、Mn錯体触媒の間にカーボン材料が存在することになり、図2の二酸化炭素還元用電極1と同様の効果が得られる。なお、Mn錯体触媒をカーボン材料に担持できれば、塗布以外の方法によって、カーボン材料にMn錯体触媒を担持させてもよい。
市販のSUS箔に銅線を接続し、ガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止し、電極化した。その後、カーボンナノチューブを約4mg塗布し、60℃で乾燥させた。その作成した電極にもう一度カーボンナノチューブを拡散させた水溶液を塗布し、若干水を飛ばした後に、錯体触媒[Mn{4,4'-di(1-H-1-pyrrolyproplyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO)3MeCN]+・FeC13・pyrrolを含むMeCN溶液をカーボンペーパーに塗布し、乾燥させた後、カーボンナノチューブの層の上に乗せて二酸化炭素還元用電極(作用極(陰極電極))として用いた。
実施例1の実験条件において、カーボンペーパー使用せずなおかつカーボンナノチューブを塗布せずにMn錯体触媒のみを塗布して同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、Mn錯体触媒を塗布せずに同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、Mn錯体触媒を塗布せずに、0.1MテトラブチルアンモニウムパークロレートMeCN溶液:水混合溶媒にMn錯体触媒を溶解させた後に、同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、すでに報告されている錯体触媒Mn(diimine)(CO)3Brを塗布して同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、単座配位子をBに変更したMn錯体触媒[Mn{4,4'-di(1-H-1-pyrrolyproplyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO)3Br]を塗布して同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、溶媒を0.1Mのホウ酸カリウム水溶液から0.1Mのリン酸バッファー水溶液に変更して同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、印加電圧を、−1.0Vから−0.8Vに変更して、同様の実験を行った。
実施例1の実験条件において、カーボンペーパーを用いずに、塗布するカーボンナノチューブの量を約15mgにして、SUSの上にカーボンナノチューブの膜を作成した。そこにMn錯体触媒を実施例1と同様の量を塗布して、実施例1と同様の実験を行った。
実施例5において、塗布するカーボンナノチューブ量を約1mgに減らして、同様の反応を行った。
Claims (4)
- 金属または半導体からなる電極基材と、
前記電極基材の表面上に配置され、diimine配位子に電子吸引性の置換基が導入されているMn錯体触媒であって、
前記diimine配位子がbipyridineであり、
前記電子吸引性の置換基が−COORであり、RはCOOと化学結合する部分にアルキル基を有し、
単座配位子のうち3つがCOである、
Mn錯体触媒と、
前記電極基材と、前記Mn錯体触媒との間に介在されるカーボン材料と、
を含む、
二酸化炭素還元用電極。 - 請求項1に記載の二酸化炭素還元用電極であって、
前記カーボン材料は、ナノカーボン材料、カーボンクロス、およびカーボンペーパーの中の少なくとも1つを含む、
二酸化炭素還元用電極。 - 請求項1または2に記載の二酸化炭素還元用電極である第1電極と、
前記第1電極と電気的に接続され酸化反応を生起する第2電極と、
前記第1電極と、前記第2電極を浸漬する、水を含む溶媒と、
を含む、二酸化炭素還元装置。 - 請求項3に記載の二酸化炭素還元装置であって、
前記第1電極における二酸化炭素還元に対する過電圧が400mV以下で駆動する、
二酸化炭素還元装置。
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