JP6950384B2 - Electrode for reduction reaction - Google Patents

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本発明は、還元反応用電極に関する。 The present invention relates to electrodes for reduction reactions.

半導体を光吸収体、金属錯体を二酸化炭素還元触媒として、半導体から金属錯体へ励起電子が移動することによって反応が進行する人工光合成デバイスが開示されている。これを実用化するためには、高い効率で反応を生じさせる還元反応用電極を実現することが必要である。 An artificial photosynthesis device is disclosed in which a semiconductor is used as a photoabsorber and a metal complex is used as a carbon dioxide reduction catalyst, and the reaction proceeds by moving excited electrons from the semiconductor to the metal complex. In order to put this into practical use, it is necessary to realize an electrode for a reduction reaction that causes a reaction with high efficiency.

例えば、ステンレス板の表面の中央部分にシリコーンゴムを塗布及び乾燥させ、ルテニウム錯体ポリマー/多孔質炭素/カーボンクロスとステンレス板の周囲を銀(Ag)ペーストで接続し、接続部をシリコーンゴムで被覆して絶縁した構成の還元電極が開示されている(非特許文献1)。 For example, silicone rubber is applied and dried on the central part of the surface of the stainless steel plate, the ruthenium complex polymer / porous carbon / carbon cloth is connected to the periphery of the stainless steel plate with silver (Ag) paste, and the connection part is covered with silicone rubber. A reducing electrode having an insulated structure is disclosed (Non-Patent Document 1).

Takeo Arai et al, "A monolithic device for CO2 photoreduction to generate liquid organic substances in a single-compartment reactor", Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1998-2002Takeo Arai et al, "A monolithic device for CO2 photoreduction to generate liquid organic substances in a single-compartment reactor", Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1998-2002

ところで、非特許文献1に記載の還元電極では、集電電極の役割を果たす銀(Ag)ペーストによって接続された周辺領域のみが反応に寄与する。すなわち、電極の周辺部分と中央部分とでは電位が異なり、電極から遠い中央部分における反応への寄与が十分でない。また、大電流化に適しておらず、大面積化が困難である。 By the way, in the reducing electrode described in Non-Patent Document 1, only the peripheral region connected by the silver (Ag) paste acting as a current collecting electrode contributes to the reaction. That is, the potentials are different between the peripheral portion and the central portion of the electrode, and the contribution to the reaction in the central portion far from the electrode is insufficient. In addition, it is not suitable for increasing the current, and it is difficult to increase the area.

本発明の1つの態様は、基板と、導電性接着剤を用いて前記基板に対して接着された還元機能を有する導電体層と、を備えることを特徴とする還元反応用電極である。 One aspect of the present invention is a reduction reaction electrode comprising a substrate and a conductor layer having a reducing function adhered to the substrate using a conductive adhesive.

ここで、炭素化合物又はプロトンの還元反応に用いられることが好適である。 Here, it is preferable that it is used for a reduction reaction of a carbon compound or a proton.

また、前記導電性接着剤は、前記基板と前記導電体層とを部分的に接着していることが好適である。 Further, it is preferable that the conductive adhesive partially adheres the substrate and the conductor layer.

また、前記基板と前記導電体層との対向面積に対する前記導電性接着剤の占有面積は5%以上40%以下であることが好適である。 Further, it is preferable that the occupied area of the conductive adhesive with respect to the area facing the substrate and the conductor layer is 5% or more and 40% or less.

また、前記基板は、導電性であって、前記基板において前記導電性接着剤で前記導電体層が接着されている側の表面に導電性の集電配線が設けられていることが好適である。 Further, it is preferable that the substrate is conductive, and a conductive current collecting wiring is provided on the surface of the substrate on the side where the conductor layer is adhered with the conductive adhesive. ..

また、前記集電配線の周囲の少なくとも一部は絶縁性のシール材で覆われていることが好適である。 Further, it is preferable that at least a part of the periphery of the current collector wiring is covered with an insulating sealing material.

また、前記集電配線の少なくとも一部は前記導電性接着剤で覆われていることが好適である。 Further, it is preferable that at least a part of the current collecting wiring is covered with the conductive adhesive.

また、前記導電性接着剤は、カーボン系接着剤を含むことが好適である。 Further, the conductive adhesive preferably contains a carbon-based adhesive.

また、前記導電体層は、還元機能を有する物質を含むカーボンからなることが好適である。 Further, the conductor layer is preferably made of carbon containing a substance having a reducing function.

本発明によれば、稼働電圧を低くでき、高い電流効率を実現するための還元反応用電極を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrode for a reduction reaction in which the operating voltage can be lowered and high current efficiency can be realized.

第1の実施の形態における光合成装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photosynthesis apparatus in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における還元反応用電極の構成を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrode for reduction reaction in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における還元反応用電極の構成を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows the structure of the electrode for reduction reaction in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における還元反応用電極の構成の別例を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows another example of the structure of the electrode for reduction reaction in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における酸化反応用電極の構成を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrode for oxidation reaction in 1st Embodiment. 実施例1及び比較例1における特性測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the characteristic measurement in Example 1 and Comparative Example 1. 第2の実施の形態における還元反応用電極の構成を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electrode for reduction reaction in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における還元反応用電極の構成の別例を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows another example of the structure of the electrode for reduction reaction in 2nd Embodiment. 実施例2及び比較例1における特性測定の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the characteristic measurement in Example 2 and Comparative Example 1. 導電性接着剤の抵抗値を測定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of measuring the resistance value of a conductive adhesive.

<第1の実施の形態>
第1の実施の形態における光合成装置100は、図1の模式図に示すように、還元反応用電極102、酸化反応用電極104、電解液106、太陽電池セル108、窓材110及び枠材112を含んで構成される。光合成装置100は、二酸化炭素(CO)等の炭化化合物やプロトンの還元反応に用いることができる。
<First Embodiment>
As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the photosynthetic apparatus 100 according to the first embodiment includes a reduction reaction electrode 102, an oxidation reaction electrode 104, an electrolytic solution 106, a solar cell 108, a window material 110, and a frame material 112. Consists of including. The photosynthetic apparatus 100 can be used for a reduction reaction of a carbide compound such as carbon dioxide (CO 2) or a proton.

還元反応用電極102は、還元反応によって物質を還元するために利用される電極である。還元反応用電極102は、図2の断面模式図及び図3の平面模式図に示すように、基板10、導電性接着剤12、導電体層14、外部配線16及び支持シール部18を含んで構成される。なお、図2及び図3は模式図であり、各層の膜厚や幅等は実際のものとは異なっている。 The reduction reaction electrode 102 is an electrode used for reducing a substance by a reduction reaction. The reduction reaction electrode 102 includes a substrate 10, a conductive adhesive 12, a conductor layer 14, an external wiring 16, and a support seal portion 18, as shown in a schematic cross-sectional view of FIG. 2 and a schematic plan view of FIG. It is composed. Note that FIGS. 2 and 3 are schematic views, and the film thickness, width, and the like of each layer are different from the actual ones.

基板10は、還元反応用電極102を構造的に支持する部材であり、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等とされる。また、基板10は、例えば、金属又は半導体を含んでもよい。基板10として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)を含むことが好適である。基板10として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、酸化チタン(TiO)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta)等とすることが好適である。 The substrate 10 is a member that structurally supports the reduction reaction electrode 102, and the material is not particularly limited, but is, for example, a glass substrate or the like. Further, the substrate 10 may include, for example, a metal or a semiconductor. The metal used as the substrate 10 is not particularly limited, but silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd), tin (Sn). ), Palladium (Pd), lead (Pb). The semiconductor used as the substrate 10 is not particularly limited, but is limited to titanium oxide (TiO 2 ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), and tantalum oxide (Ta 2 O 5). ) Etc. are preferable.

なお、基板10の表面には導電層を設けてもよい。導電層は、還元反応用電極102における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等とすることが好適である。特に、熱的及び化学的な安定性を考慮するとフッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 A conductive layer may be provided on the surface of the substrate 10. The conductive layer is provided in order to effectively collect current in the reduction reaction electrode 102. The conductive layer is not particularly limited, but is preferably indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), or the like. In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO).

導電性接着剤12は、基板10と導電体層14とを接続する部材である。導電性接着剤12は、例えば、グラファイト、カーボンブラック等を含むカーボン系接着剤や銀(Ag)、銅(Cu)等の金属の微粒子を含む金属系接着剤とすることが好適である。例えば、図1に示すように、基板10の表面の全面に導電性接着剤12を塗布し、基板10と導電体層14とを接着する。導電性接着剤12は、その硬化温度が60℃以下であることが好適である。 The conductive adhesive 12 is a member that connects the substrate 10 and the conductor layer 14. The conductive adhesive 12 is preferably a carbon-based adhesive containing graphite, carbon black, or the like, or a metal-based adhesive containing fine metal particles such as silver (Ag) and copper (Cu). For example, as shown in FIG. 1, a conductive adhesive 12 is applied to the entire surface of the substrate 10 to bond the substrate 10 and the conductor layer 14. The conductive adhesive 12 preferably has a curing temperature of 60 ° C. or lower.

導電体層14は、還元触媒機能を有する材料を含む導電体から構成される。導電体層14は、導電体に還元触媒を担持させることで構成することができる。導電体は、カーボン材料(C)を含む材料から構成することができる。カーボン材料の構造体の単体のサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボン材料は、多孔質素材、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン及びグラファイトの少なくとも1つを含むことが好適である。グラフェン及びグラファイトであればサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が1nm以上40nm以下であることが好適である。導電体は、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。 The conductor layer 14 is composed of a conductor containing a material having a reduction catalyst function. The conductor layer 14 can be formed by supporting a reduction catalyst on the conductor. The conductor can be made of a material including the carbon material (C). It is preferable that the size of the carbon material structure alone is 1 nm or more and 1 μm or less. The carbon material preferably contains at least one of a porous material such as carbon nanotubes, graphene and graphite. For graphene and graphite, the size is preferably 1 nm or more and 1 μm or less. If it is a carbon nanotube, it is preferable that the diameter is 1 nm or more and 40 nm or less. The conductor can be formed by applying a carbon material mixed with a liquid such as ethanol by spraying and heating. Instead of spraying, it may be applied by spin coating. Alternatively, the solution may be directly dropped, dried and applied without using spin coating.

還元触媒機能を有する材料は、錯体触媒とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)Cl]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(CHCN)Cl]等とすることができる。 The material having a reduction catalyst function is preferably a complex catalyst. The complex catalyst is preferably, for example, a ruthenium complex. Complex catalysts include, for example, [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrypropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ], [Ru {4,4'. -Di (1-H-1-pyridypropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) 2 Cl 2 ], [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridyl carbonate) -2, 2'-bipyridine} (CO) 2 ] n , [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridine) -2,2'-bipyridine} (CO) (CH 3 CN) Cl 2 ] And so on.

錯体触媒による修飾は、錯体をアセトニトリル(MeCN)溶液に溶解した液を導電体層14の導電体の上に塗布することで作ることができる。また、錯体触媒による修飾は、電解重合法により行うこともできる。 Modification with a complex catalyst can be made by applying a solution of the complex in an acetonitrile (MeCN) solution onto the conductor of the conductor layer 14. Further, the modification with a complex catalyst can also be performed by an electrolytic polymerization method.

外部配線16は、還元反応用電極102にバイアス電圧を印加し、反応によって生ずる電流を流すために設けられる。外部配線16は、例えば、銀(Ag)や銅(Cu)の配線材から構成することができ、導電性接着剤12の一部に接続される。 The external wiring 16 is provided to apply a bias voltage to the reduction reaction electrode 102 and allow a current generated by the reaction to flow. The external wiring 16 can be made of, for example, a wiring material of silver (Ag) or copper (Cu), and is connected to a part of the conductive adhesive 12.

支持シール部18は、還元反応用電極102を構成する部材を機械的に支持する部材である。支持シール部18は、特に限定されるものではないが、例えば、シリコーン等の樹脂で構成することができる。支持シール部18は、還元反応用電極102の裏面、すなわち導電体層14が設けられていない面、及び端面を覆うように設けられる。 The support seal portion 18 is a member that mechanically supports the members constituting the reduction reaction electrode 102. The support seal portion 18 is not particularly limited, but can be made of, for example, a resin such as silicone. The support seal portion 18 is provided so as to cover the back surface of the reduction reaction electrode 102, that is, the surface on which the conductor layer 14 is not provided and the end surface.

なお、還元反応用電極102は、図4に示すように、集電電極を設けた構成としてもよい。還元反応用電極102は、基板10、透明導電層10a、集電配線20、第1シール部22、第2シール部24、導電性接着剤12、導電体層14、外部配線16及び支持シール部18を含んで構成される。なお、図4は模式図であり、各層の膜厚や幅等は実際のものとは異なっている。 As shown in FIG. 4, the reduction reaction electrode 102 may be provided with a current collecting electrode. The reduction reaction electrode 102 includes a substrate 10, a transparent conductive layer 10a, a current collecting wiring 20, a first sealing portion 22, a second sealing portion 24, a conductive adhesive 12, a conductive layer 14, an external wiring 16, and a supporting sealing portion. 18 is included. Note that FIG. 4 is a schematic view, and the film thickness, width, and the like of each layer are different from the actual ones.

透明導電層10aは、基板10の表面上に設けられる。透明導電層10aは、還元反応用電極102における集電を効果的にするために設けられる。透明導電層10aは、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等とすることが好適である。特に、熱的及び化学的な安定性を考慮するとフッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。外部配線16は、透明導電層10a又は導電性接着剤12に接続される。 The transparent conductive layer 10a is provided on the surface of the substrate 10. The transparent conductive layer 10a is provided in order to effectively collect electricity in the reduction reaction electrode 102. The transparent conductive layer 10a is not particularly limited, but is preferably indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), or the like. In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO). The external wiring 16 is connected to the transparent conductive layer 10a or the conductive adhesive 12.

集電配線20は、還元反応用電極102における集電の効果を高めるために設けられる。すなわち、還元反応用電極102を大面積化した場合、透明導電層10aのみでは還元反応用電極102の全面において十分な反応を促進させるための導電性を確保できなくなるので、還元反応用電極102の導電性を高めるために設けられる。集電配線20は、例えば、間隔を置いて櫛形状に配置された線状のフィンガー電極と、フィンガー電極を更に集電するためのバス電極とを組み合わせた構成とすることができる。集電配線20は、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。例えば、銀(Ag)、銅(Cu)等を含む材料で構成することが好適である。集電配線20は、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。 The current collecting wiring 20 is provided to enhance the effect of current collecting on the reduction reaction electrode 102. That is, when the area of the reduction reaction electrode 102 is increased, the transparency for promoting the reaction cannot be ensured on the entire surface of the reduction reaction electrode 102 only with the transparent conductive layer 10a. Therefore, the reduction reaction electrode 102 It is provided to increase conductivity. The current collecting wiring 20 may have, for example, a configuration in which linear finger electrodes arranged in a comb shape at intervals and a bus electrode for further collecting current from the finger electrodes are combined. The current collecting wiring 20 is made of a highly conductive material, and is preferably made of a material containing metal. For example, it is preferably composed of a material containing silver (Ag), copper (Cu) and the like. The current collector wiring 20 can be formed by a method such as screen printing.

また、集電配線20は、第1シール部22及び第2シール部24で覆われる。第1シール部22及び第2シール部24は、集電配線20を化学的及び機械的に保護するために少なくとも集電配線20の一部を被覆するように設けられる。第1シール部22は、低融点のガラスコート材とすることができる。第1シール部22は、スクリーン印刷等の方法を用いて、集電配線20が形成された領域を覆うように低融点ガラスを塗布することによって形成することができる。また、第2シール部24は、シリコーンゴム(脱オキシムタイプ、低分子シロキサン低減材、耐油・耐溶剤フロロシリコーン等)、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、メタクリル(アクリル)、ポリカーボネート、フッ素樹脂(テフロン)、エポキシ樹脂等の樹脂とすることができる。第2シール部24は、スクリーン印刷又はディスペンサー等の塗布装置を用いて、第1シール部22が形成された領域を覆うように樹脂を塗布することによって形成することができる。 Further, the current collecting wiring 20 is covered with the first seal portion 22 and the second seal portion 24. The first seal portion 22 and the second seal portion 24 are provided so as to cover at least a part of the current collector wiring 20 in order to chemically and mechanically protect the current collector wiring 20. The first sealing portion 22 can be a glass coating material having a low melting point. The first seal portion 22 can be formed by applying low melting point glass so as to cover the region where the current collecting wiring 20 is formed by using a method such as screen printing. The second seal portion 24 is made of silicone rubber (deoxidized type, low molecular weight siloxane reducing material, oil resistant / solvent resistant fluorosilicone, etc.), polyisobutylene, polypropylene, methacryl (acrylic), polycarbonate, fluororesin (teflon), epoxy. It can be a resin such as a resin. The second seal portion 24 can be formed by applying a resin so as to cover the region where the first seal portion 22 is formed by using a coating device such as screen printing or a dispenser.

導電性接着剤12は、透明導電層10a及び集電配線20が設けられた基板10と導電体層14とを接続する部材である。導電性接着剤12は、図4に示すように、集電配線20、第1シール部22及び第2シール部24を含めて透明導電層10aの表面を覆うように塗布され、基板10と導電体層14とを接着する。導電性接着剤12は、例えば、グラファイト、カーボンブラック等を含むカーボン系接着剤や銀(Ag)、銅(Cu)等の金属の微粒子を含む金属系接着剤とすることが好適である。 The conductive adhesive 12 is a member that connects the substrate 10 provided with the transparent conductive layer 10a and the current collecting wiring 20 to the conductive layer 14. As shown in FIG. 4, the conductive adhesive 12 is applied so as to cover the surface of the transparent conductive layer 10a including the current collecting wiring 20, the first sealing portion 22, and the second sealing portion 24, and is conductive with the substrate 10. Adheres to the body layer 14. The conductive adhesive 12 is preferably a carbon-based adhesive containing graphite, carbon black, or the like, or a metal-based adhesive containing fine metal particles such as silver (Ag) and copper (Cu).

本実施の形態における還元反応用電極102では、導電性接着剤12が全面に設けられているため、導電体層14は周辺部のみならず中心部までほぼ等電位になり、ほぼ全面において還元反応に寄与する。したがって、電流密度が高くなり、稼働電圧を低くでき、高い電流効率を実現できる。また、大面積化も容易である。また、ランニングコストにも優れている。 In the reduction reaction electrode 102 of the present embodiment, since the conductive adhesive 12 is provided on the entire surface, the conductor layer 14 has substantially the same potential not only in the peripheral portion but also in the central portion, and the reduction reaction occurs on almost the entire surface. Contribute to. Therefore, the current density can be increased, the operating voltage can be lowered, and high current efficiency can be realized. In addition, it is easy to increase the area. It is also excellent in running cost.

また、導電性接着剤12により基板10と導電体層14とを接合することで、還元反応に寄与する導電体層14と外部配線16との導電性を確保しつつ、ガラス等の導電性のない基板10や低い導電性の基板10も利用可能とする。これにより、安価で化学的に安定性の優れた基板10を使用する可能になり、コストを削減でき、長期に安定した性能を維持することができる。 Further, by joining the substrate 10 and the conductor layer 14 with the conductive adhesive 12, the conductivity of the conductor layer 14 and the external wiring 16 that contribute to the reduction reaction is ensured, and the conductivity of glass or the like is increased. A non-existent substrate 10 and a low conductive substrate 10 can also be used. This makes it possible to use the substrate 10 which is inexpensive and has excellent chemical stability, can reduce the cost, and can maintain stable performance for a long period of time.

酸化反応用電極104は、酸化反応によって物質を酸化するために利用される電極である。酸化反応用電極104は、図5の断面模式図に示すように、基板30、透明導電層32、集電配線34及び酸化触媒36を含んで構成される。なお、図5は模式図であり、各層の膜厚や幅等は実際のものとは異なっている。 The oxidation reaction electrode 104 is an electrode used for oxidizing a substance by an oxidation reaction. As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 5, the oxidation reaction electrode 104 includes a substrate 30, a transparent conductive layer 32, a current collecting wiring 34, and an oxidation catalyst 36. Note that FIG. 5 is a schematic view, and the film thickness, width, and the like of each layer are different from the actual ones.

酸化反応用電極104を構造的に支持する部材は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等とされる。 The material that structurally supports the oxidation reaction electrode 104 is not particularly limited, but is, for example, a glass substrate or the like.

透明導電層32は、酸化反応用電極104における集電を効果的にするために設けられる。透明導電層32は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等とすることが好適である。特に、熱的及び化学的な安定性を考慮するとフッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 The transparent conductive layer 32 is provided in order to effectively collect current in the oxidation reaction electrode 104. The transparent conductive layer 32 is not particularly limited, but is preferably indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), zinc oxide (ZnO), or the like. In particular, considering thermal and chemical stability, it is preferable to use fluorine-doped tin oxide (FTO).

集電配線34は、酸化反応用電極104における集電の効果を高めるために設けられる。すなわち、酸化反応用電極104を大面積化した場合、透明導電層32のみでは酸化反応用電極104の全面において十分な反応を促進させるための導電性を確保できなくなるので、酸化反応用電極104の導電性を高めるために設けられる。集電配線34は、例えば、間隔を置いて櫛形状に配置された線状のフィンガー電極と、フィンガー電極を更に集電するためのバス電極とを組み合わせた構成とすることができる。集電配線34は、導電部34a、第1シール部34b及び第2シール部34cから構成することが好適である。導電部34aは、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。例えば、銀(Ag)、銅(Cu)等を含む材料で構成することが好適である。また、第1シール部34b及び第2シール部34cは、導電部34aを化学的及び機械的に保護するために少なくとも導電部34aの一部を被覆するように設けられる。第1シール部34bは、低融点のガラスコート材とすることができる。また、第2シール部34cは、シリコーンゴム(脱オキシムタイプ、低分子シロキサン低減材、耐油・耐溶剤フロロシリコーン等)、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、メタクリル(アクリル)、ポリカーボネート、フッ素樹脂(テフロン)、エポキシ樹脂等の樹脂とすることができる。 The current collecting wiring 34 is provided to enhance the effect of current collecting on the oxidation reaction electrode 104. That is, when the area of the oxidation reaction electrode 104 is increased, the transparent conductive layer 32 alone cannot ensure sufficient conductivity on the entire surface of the oxidation reaction electrode 104, so that the oxidation reaction electrode 104 cannot be secured. It is provided to increase conductivity. The current collecting wiring 34 may have, for example, a configuration in which linear finger electrodes arranged in a comb shape at intervals and a bus electrode for further collecting current from the finger electrodes are combined. The current collecting wiring 34 is preferably composed of a conductive portion 34a, a first seal portion 34b, and a second seal portion 34c. The conductive portion 34a is made of a highly conductive material, and is preferably made of a material containing a metal. For example, it is preferably composed of a material containing silver (Ag), copper (Cu) and the like. Further, the first seal portion 34b and the second seal portion 34c are provided so as to cover at least a part of the conductive portion 34a in order to chemically and mechanically protect the conductive portion 34a. The first sealing portion 34b can be a glass coating material having a low melting point. The second seal portion 34c is made of silicone rubber (deoxime type, low molecular weight siloxane reducing material, oil resistant / solvent resistant fluorosilicone, etc.), polyisobutylene, polypropylene, methacryl (acrylic), polycarbonate, fluororesin (teflon), epoxy. It can be a resin such as a resin.

酸化触媒36は、酸化触媒機能を有する材料を含んで構成される。酸化触媒機能を有する材料は、例えば、酸化イリジウム(IrOx)を含む材料とすることができる。酸化イリジウムは、ナノコロイド溶液として集電配線34が形成された透明導電層32の表面上に担持することができる(T.Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015))。 The oxidation catalyst 36 is composed of a material having an oxidation catalyst function. The material having an oxidation catalyst function can be, for example, a material containing iridium oxide (IrOx). Iridium oxide can be supported as a nanocolloidal solution on the surface of the transparent conductive layer 32 on which the current collecting wiring 34 is formed (T. Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)).

本実施の形態における光合成装置100は、還元反応用電極102と酸化反応用電極104を組み合わせて構成される。例えば、図1に示すように、還元反応用電極102と酸化反応用電極104を導電体層14及び酸化触媒36が対向するように配置し、その間に反応物が溶解された電解液106を導入させる。反応物は、炭化化合物とすることができ、例えば、二酸化炭素(CO)とすることができる。また、電解液106は、リン酸緩衝水溶液やホウ酸緩衝水溶液とすることが好適である。具体的な構成例では、二酸化炭素(CO)飽和リン酸緩衝液のタンクを設け、ポンプによって当該液を還元反応用電極102と酸化反応用電極104との間に設けられた間隙に供給し、還元反応によって生じたギ酸(HCOOH)や酸素(O)を外部の燃料タンクに回収する。 The photosynthetic apparatus 100 according to the present embodiment is configured by combining a reduction reaction electrode 102 and an oxidation reaction electrode 104. For example, as shown in FIG. 1, the reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104 are arranged so that the conductor layer 14 and the oxidation catalyst 36 face each other, and the electrolytic solution 106 in which the reactant is dissolved is introduced between them. Let me. The reaction product can be a carbonized compound, for example, carbon dioxide (CO 2 ). Further, the electrolytic solution 106 is preferably a phosphate buffered aqueous solution or a boric acid buffered aqueous solution. In a specific configuration example, a tank of carbon dioxide (CO 2 ) saturated phosphate buffer solution is provided, and the solution is supplied to the gap provided between the reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104 by a pump. , Formic acid (HCOOH) and oxygen (O 2 ) generated by the reduction reaction are recovered in an external fuel tank.

還元反応用電極102と酸化反応用電極104との間を電気的に接続し、適切なバイアス電圧を印加した状態とする。バイアス電圧を印加する手段は、特に限定されるものではなく、化学的電池(一次電池、二次電池等を含む)、定電圧源、太陽電池等が挙げられる。このとき、酸化反応用電極104に正極が接続され、還元反応用電極102に負極が接続される。 The reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104 are electrically connected to each other, and an appropriate bias voltage is applied. The means for applying the bias voltage is not particularly limited, and examples thereof include a chemical battery (including a primary battery, a secondary battery, etc.), a constant voltage source, a solar cell, and the like. At this time, the positive electrode is connected to the oxidation reaction electrode 104, and the negative electrode is connected to the reduction reaction electrode 102.

本実施の形態では、太陽電池セル108を採用している。太陽電池セル108は、還元反応用電極102及び酸化反応用電極104に隣接して配置することができる。図1の例では、還元反応用電極102と酸化反応用電極104とを対向させた電気化学セルの還元反応用電極102の背面に太陽電池セル108を配置し、太陽電池セル108の正極を酸化反応用電極104に接続し、負極を還元反応用電極102に接続している。 In this embodiment, the solar cell 108 is adopted. The solar cell 108 can be arranged adjacent to the reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104. In the example of FIG. 1, the solar cell 108 is arranged on the back surface of the reduction reaction electrode 102 of the electrochemical cell in which the reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104 face each other, and the positive electrode of the solar cell 108 is oxidized. It is connected to the reaction electrode 104, and the negative electrode is connected to the reduction reaction electrode 102.

二酸化炭素(CO)からギ酸(HCOOH)等を合成する場合、水(HO)は酸化されて二酸化炭素(CO)に電子とプロトンを供給する。pH7付近では水(HO)の酸化電位は0.82V、還元電位は-0.41V(何れもNHE)である。また、二酸化炭素(CO)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)、メチルアルコール(CHOH)への還元電位はそれぞれ-0.53V,-0.61V,-0.38Vである。したがって、酸化電位と還元電位の電位差は1.20〜1.43Vである。そこで、炭化化合物である二酸化炭素(CO)を還元する場合、太陽電池セル108は、4つの結晶系シリコン太陽電池を直接に接続した結晶シリコン系4接合太陽電池や3つのアモルファス系シリコン太陽電池を直列に接続したアモルファスシリコン系3接合太陽電池とすることが好適である。 When synthesizing formic acid (HCOOH) or the like from carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O) is oxidized to supply electrons and protons to carbon dioxide (CO 2). At around pH 7, the oxidation potential of water (H 2 O) is 0.82 V, and the reduction potential is −0.41 V (both are NHE). The reduction potentials of carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), and methyl alcohol (CH 3 OH) are -0.53V, -0.61V, and -0.38V, respectively. .. Therefore, the potential difference between the oxidation potential and the reduction potential is 1.20 to 1.43 V. Therefore, when reducing carbon dioxide (CO 2 ), which is a carbonized compound, the solar cell 108 is a crystalline silicon 4-junction solar cell or three amorphous silicon solar cells in which four crystalline silicon solar cells are directly connected. It is preferable to use an amorphous silicon-based 3-junction solar cell in which the above are connected in series.

太陽電池セル108に対しては、受光面側に窓材110を設けることが好適である。窓材110は、太陽電池セル108を保護する部材である。窓材110は、太陽電池セル108において発電に寄与する波長の光を透過する部材とし、例えば、ガラス、プラスチック等とすることができる。還元反応用電極102、酸化反応用電極104、太陽電池セル108及び窓材110は、枠材112によって構造的に支持される。 For the solar cell 108, it is preferable to provide the window material 110 on the light receiving surface side. The window material 110 is a member that protects the solar cell 108. The window material 110 is a member that transmits light having a wavelength that contributes to power generation in the solar cell 108, and may be, for example, glass, plastic, or the like. The reduction reaction electrode 102, the oxidation reaction electrode 104, the solar cell 108, and the window material 110 are structurally supported by the frame material 112.

[実施例1]
(還元反応用電極の作製方法)
基板10として、フッ素含有酸化スズ(FTO)である透明導電層10aが被覆されたガラス基板を用いた。透明導電層10a上に、スクリーン印刷を用いて、銀(Ag)のペーストを塗布し、大気中にて熱処理450℃を施すことで所望のパターンの集電配線20を形成した。さらに、スクリーン印刷を用いて、集電配線20上を覆うように低融点のガラスを塗布し、大気中にて熱処理(400℃)を施して第1シール部22を形成した。さらに、ディスペンサーを用いて第1シール部22を覆うようにシリコーン樹脂(ゴム)を塗布して、室温で乾燥させて第2シール部24を形成した。一方、導電体層14は、カーボンクロスにルテニウム錯体ポリマーを修飾させて構成した。具体的には、カーボンクロス上に、錯体触媒層としてルテニウム錯体ポリマー[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄することにより修飾させた。そして、導電性接着剤12としてカーボン系導電性接着剤を用いて、透明導電層10aと導電体層14を全面において接着した。さらに、還元反応用電極102の周囲部をシリコーン樹脂で封止して支持シール部18を形成した。このようにして、10cm×10cmの大きさの還元反応用電極102を得た。
[Example 1]
(Method of manufacturing electrodes for reduction reaction)
As the substrate 10, a glass substrate coated with a transparent conductive layer 10a which is fluorine-containing tin oxide (FTO) was used. A silver (Ag) paste was applied onto the transparent conductive layer 10a by screen printing, and heat treatment was performed at 450 ° C. in the air to form a current collecting wiring 20 having a desired pattern. Further, using screen printing, glass having a low melting point was applied so as to cover the current collector wiring 20, and heat treatment (400 ° C.) was performed in the air to form the first seal portion 22. Further, a silicone resin (rubber) was applied so as to cover the first seal portion 22 using a dispenser, and dried at room temperature to form the second seal portion 24. On the other hand, the conductor layer 14 was formed by modifying a carbon cloth with a ruthenium complex polymer. Specifically, on the carbon cloth, as a complex catalyst layer, a ruthenium complex polymer [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then modified by washing with water. Then, using a carbon-based conductive adhesive as the conductive adhesive 12, the transparent conductive layer 10a and the conductive layer 14 were adhered to the entire surface. Further, the peripheral portion of the reduction reaction electrode 102 was sealed with a silicone resin to form the support seal portion 18. In this way, a reduction reaction electrode 102 having a size of 10 cm × 10 cm was obtained.

(酸化反応用電極の作製方法)
まず、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイドを合成した(T. Arai, S. Sato, and T. Morikawa, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015))。2mMの塩化イリジウム酸(IV)カリウム(KIrCl)水溶液50mlに10wt%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を加えてpH13に調整した黄色溶液を、ホットスターラーを用いて90℃で20分加熱した。これによって得られた青色溶液を氷水で1時間冷却した。さらに、冷やした溶液(20ml)に3M硝酸(HNO)を滴下してpH1に調整し、80分攪拌し、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を得た。この溶液に1.5wt%NaOH水溶液(1−2ml)を滴下してpH12に調整した。
(Method of manufacturing electrodes for oxidation reaction)
First, nanocolloids of iridium oxide (IrOx) were synthesized (T. Arai, S. Sato, and T. Morikawa, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)). A yellow solution adjusted to pH 13 by adding a 10 wt% sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution to 50 ml of a 2 mM potassium (IV) chloride (K 2 IrCl 6) aqueous solution is heated at 90 ° C. for 20 minutes using a hot stirrer. bottom. The resulting blue solution was cooled with ice water for 1 hour. Further, 3M nitric acid (HNO 3 ) was added dropwise to the cooled solution (20 ml) to adjust the pH to 1, and the mixture was stirred for 80 minutes to obtain a nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx). A 1.5 wt% NaOH aqueous solution (1-2 ml) was added dropwise to this solution to adjust the pH to 12.

本実施例では、基板30及び透明導電層32は、ITOより化学的及び熱的に安定性が高いフッ素ドープ酸化錫(FTO)透明導電膜付きのガラス(日本板硝子製SA−25)を用いた。FTOである透明導電層32上に、スクリーン印刷を適用して、銀(Ag)のペーストを所望のパターンに塗布して、大気中にて熱処理450℃を施して銀(Ag)を焼結させて導電部34aを形成した。さらに、銀(Ag)の配線上に、スクリーン印刷法を適用して、低融点ガラスペーストを用いてカバーガラスを塗布し、大気中にて熱処理(400℃)を施してカバーガラスを第1シール部34bとして形成した。その上に、ディスペンサーを用いてシリコーン樹脂(ゴム)を塗布して、室温で乾燥させて第2シール部34cを形成した。これによって、3層構造の集電配線34を作製した。このように、集電配線34が形成された透明導電層32上にpH12に調整した酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を塗布し、乾燥炉内にて60℃で40分間保持して乾燥した。乾燥後、析出した塩を超純水で洗浄し、酸化触媒36を形成した。このようにして、10cm×10cmの大きさの酸化反応用電極104を得た。 In this embodiment, the substrate 30 and the transparent conductive layer 32 are made of glass with a fluorine-doped tin oxide (FTO) transparent conductive film (SA-25 manufactured by Nippon Sheet Glass), which is more chemically and thermally stable than ITO. .. Screen printing is applied on the transparent conductive layer 32 which is an FTO, a paste of silver (Ag) is applied to a desired pattern, and heat treatment at 450 ° C. is performed in the air to sinter silver (Ag). The conductive portion 34a was formed. Further, a screen printing method is applied on the silver (Ag) wiring, the cover glass is applied using a low melting point glass paste, and the cover glass is first sealed by heat treatment (400 ° C.) in the air. It was formed as part 34b. A silicone resin (rubber) was applied onto the silicone resin (rubber) using a dispenser and dried at room temperature to form a second seal portion 34c. As a result, the current collecting wiring 34 having a three-layer structure was produced. In this way, a nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) adjusted to pH 12 was applied onto the transparent conductive layer 32 on which the current collecting wiring 34 was formed, and the mixture was kept in a drying furnace at 60 ° C. for 40 minutes for drying. .. After drying, the precipitated salt was washed with ultrapure water to form an oxidation catalyst 36. In this way, an electrode 104 for an oxidation reaction having a size of 10 cm × 10 cm was obtained.

[比較例1]
また、比較例として参考文献1(T.Arai et al., Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1998-2002)にしたがって作製した還元反応用電極及び酸化反応用電極を用いた電気化学セルを作製した。このとき、還元反応用電極及び酸化反応用電極は、10cm×10cmの面積で作製した。
[Comparative Example 1]
In addition, as a comparative example, an electrochemical cell using a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode prepared according to Reference 1 (T. Arai et al., Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1998-2002) is used. Made. At this time, the electrode for the reduction reaction and the electrode for the oxidation reaction were produced in an area of 10 cm × 10 cm.

(電気化学特性評価)
参照極(RE)としてHg/HgSOを用いた。還元反応用電極102及び酸化反応用電極104を定電流電源に接続し、電流密度2.0mA/cmで30分通電した後、電圧値を測定した。電解液106は、0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。
(Electrochemical characterization)
Hg / HgSO 4 was used as the reference electrode (RE). The reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104 were connected to a constant current power source, energized at a current density of 2.0 mA / cm 2 for 30 minutes, and then the voltage value was measured. As the electrolytic solution 106, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution.

図6は、実施例1及び比較例1における電流効率(%)及び電圧(V)を示す。なお、電流効率は、電流効率=ギ酸(HCOOH)の生成に消費された電流量/流れた電流量×100(%)により導出される。 FIG. 6 shows the current efficiency (%) and the voltage (V) in Example 1 and Comparative Example 1. The current efficiency is derived by the ratio of current efficiency = amount of current consumed for the production of formic acid (HCOOH) / amount of current flowing × 100 (%).

実施例1では、光合成装置100内にて光を1時間照射した結果、ギ酸(HCOOH)の生成が確認された。実施例1と同様に評価を行った比較例1と比較すると、実施例1では電流効率が大幅に向上した。また、比較例1に比べて実施例1では反応時の電圧が低い値であり、電力消費を低減することができた。すなわち、実施例1の還元反応用電極102を用いることで、稼働電圧を低下させることができ、高い電流効率を実現できるため、ランニングコストに優れた光合成装置100を実現することができる。 In Example 1, as a result of irradiating light in the photosynthesis apparatus 100 for 1 hour, the formation of formic acid (HCOOH) was confirmed. Compared with Comparative Example 1 which was evaluated in the same manner as in Example 1, the current efficiency was significantly improved in Example 1. Further, in Example 1, the voltage at the time of reaction was lower than that in Comparative Example 1, and the power consumption could be reduced. That is, by using the reduction reaction electrode 102 of Example 1, the operating voltage can be lowered and high current efficiency can be realized, so that the photosynthesis apparatus 100 having excellent running cost can be realized.

<第2の実施の形態>
第2の実施の形態における還元反応用電極102は、図7の断面模式図に示すように、基板10、透明導電層10a、導電性接着剤12、集電配線20、導電体層14、外部配線16及び支持シール部18を含んで構成される。なお、図7は模式図であり、各層の膜厚や幅等は実際のものとは異なっている。
<Second Embodiment>
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7, the reduction reaction electrode 102 in the second embodiment includes a substrate 10, a transparent conductive layer 10a, a conductive adhesive 12, a current collecting wiring 20, a conductor layer 14, and an external surface. It includes a wiring 16 and a support seal portion 18. Note that FIG. 7 is a schematic view, and the film thickness, width, and the like of each layer are different from the actual ones.

基板10、透明導電層10a、導電体層14、外部配線16及び支持シール部18は、第1の実施の形態と同様であるので、以下では主に導電性接着剤12及び集電配線20について説明する。 The substrate 10, the transparent conductive layer 10a, the conductive layer 14, the external wiring 16, and the support seal portion 18 are the same as those in the first embodiment. Therefore, the conductive adhesive 12 and the current collecting wiring 20 are mainly described below. explain.

集電配線20は、間隔を置いて櫛形状に配置された線状のフィンガー電極と、フィンガー電極を更に集電するためのバス電極とを組み合わせた構成とすることができる。集電配線20は、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。例えば、銀(Ag)、銅(Cu)等を含む材料で構成することが好適である。集電配線20は、スクリーン印刷等の方法により形成することができる。 The current collecting wiring 20 may have a configuration in which linear finger electrodes arranged in a comb shape at intervals and a bus electrode for further collecting current from the finger electrodes are combined. The current collecting wiring 20 is made of a highly conductive material, and is preferably made of a material containing metal. For example, it is preferably composed of a material containing silver (Ag), copper (Cu) and the like. The current collector wiring 20 can be formed by a method such as screen printing.

図7の構成では、集電配線20を覆う第1シール部22及び第2シール部24は設けないが、図8に示すように、集電配線20を覆うように第1シール部22及び第2シール部24を設けた構成としてもよい。 In the configuration of FIG. 7, the first seal portion 22 and the second seal portion 24 that cover the current collector wiring 20 are not provided, but as shown in FIG. 8, the first seal portion 22 and the first seal portion 22 and the second seal portion 24 that cover the current collector wiring 20 are not provided. The configuration may be such that the two seal portions 24 are provided.

導電性接着剤12は、基板10(透明導電層10a)と導電体層14とを接着する。本実施の形態では、導電性接着剤12は、基板10の全面において導電体層14を接着するのではなく、基板10と導電体層14とを部分的に接着する。 The conductive adhesive 12 adheres the substrate 10 (transparent conductive layer 10a) and the conductor layer 14. In the present embodiment, the conductive adhesive 12 does not bond the conductor layer 14 on the entire surface of the substrate 10, but partially adheres the substrate 10 and the conductor layer 14.

ここで、基板10と導電体層14との対向面積に対する導電性接着剤12の占有面積は5%以上40%以下とすることが好適である。このように、基板10と導電体層14とを、全面ではなく、部分的に導電性接着剤12により接着することで、高い電流密度でも良好な特性を示す還元反応用電極102を実現できる。したがって、還元反応の効率を高めることができ、光合成装置100を小型化することができる。 Here, it is preferable that the occupied area of the conductive adhesive 12 with respect to the facing area between the substrate 10 and the conductor layer 14 is 5% or more and 40% or less. In this way, by adhering the substrate 10 and the conductor layer 14 partially with the conductive adhesive 12 instead of the entire surface, it is possible to realize the reduction reaction electrode 102 exhibiting good characteristics even at a high current density. Therefore, the efficiency of the reduction reaction can be increased, and the photosynthesis apparatus 100 can be miniaturized.

具体的には、例えば、図7に示すように、集電配線20の両側面に導電性接着剤12を塗布し、基板10と導電体層14とを接着することが好適である。すなわち、集電配線20の両側面に導電性接着剤12を集電配線20の厚さと同程度の厚さで塗布し、基板10と導電体層14とを接着する。 Specifically, for example, as shown in FIG. 7, it is preferable to apply the conductive adhesive 12 to both side surfaces of the current collecting wiring 20 to bond the substrate 10 and the conductor layer 14. That is, the conductive adhesive 12 is applied to both side surfaces of the current collecting wiring 20 with a thickness similar to the thickness of the current collecting wiring 20, and the substrate 10 and the conductor layer 14 are adhered to each other.

[実施例2]
(還元反応用電極の作製方法)
基板10として、フッ素含有酸化スズ(FTO)である透明導電層10aが被覆されたガラス基板を用いた。透明導電層10a上に、スクリーン印刷を用いて、銀(Ag)のペーストを塗布し、大気中にて熱処理450℃を施すことで所望のパターンの集電配線20を形成した。さらに、スクリーン印刷を用いて、集電配線20上を覆うように低融点のガラスを塗布し、大気中にて熱処理(400℃)を施して第1シール部22を形成した。さらに、ディスペンサーを用いて第1シール部22を覆うようにシリコーン樹脂(ゴム)を塗布して、室温で乾燥させて第2シール部24を形成した。一方、導電体層14は、カーボンクロスにルテニウム錯体ポリマーを修飾させて構成した。具体的には、カーボンクロス上に、錯体触媒層としてルテニウム錯体ポリマー[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]FeCl・pyrrolを含むMeCN溶液を塗布し、乾燥させた後に水で洗浄することにより修飾させた。そして、集電配線20、第1シール部22、第2シール部24の近傍のみにカーボン系導電性接着剤を用いて、基板10(透明導電層10a)と導電体層14を部分的に接着した。さらに、還元反応用電極102の周囲部をシリコーン樹脂で封止して支持シール部18を形成した。このようにして、10cm×10cmの大きさの還元反応用電極102を得た。
[Example 2]
(Method of manufacturing electrodes for reduction reaction)
As the substrate 10, a glass substrate coated with a transparent conductive layer 10a which is fluorine-containing tin oxide (FTO) was used. A silver (Ag) paste was applied onto the transparent conductive layer 10a by screen printing, and heat treatment was performed at 450 ° C. in the air to form a current collecting wiring 20 having a desired pattern. Further, using screen printing, glass having a low melting point was applied so as to cover the current collector wiring 20, and heat treatment (400 ° C.) was performed in the air to form the first seal portion 22. Further, a silicone resin (rubber) was applied so as to cover the first seal portion 22 using a dispenser, and dried at room temperature to form the second seal portion 24. On the other hand, the conductor layer 14 was formed by modifying a carbon cloth with a ruthenium complex polymer. Specifically, on the carbon cloth, as a complex catalyst layer, a ruthenium complex polymer [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyridropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ] A MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol was applied, dried, and then modified by washing with water. Then, the substrate 10 (transparent conductive layer 10a) and the conductive layer 14 are partially adhered using a carbon-based conductive adhesive only in the vicinity of the current collecting wiring 20, the first sealing portion 22, and the second sealing portion 24. bottom. Further, the peripheral portion of the reduction reaction electrode 102 was sealed with a silicone resin to form the support seal portion 18. In this way, a reduction reaction electrode 102 having a size of 10 cm × 10 cm was obtained.

(酸化反応用電極の作製方法)
実施例1と同様に、酸化反応用電極104を形成した。
(Method of manufacturing electrodes for oxidation reaction)
The electrode 104 for the oxidation reaction was formed in the same manner as in Example 1.

(電気化学特性評価)
参照極(RE)としてHg/HgSOを用いた。還元反応用電極102及び酸化反応用電極104を定電流電源に接続し、電流密度2.0mA/cmで60分通電した後、電流密度3.0mA/cmでさらに60分通電した後に電圧値を測定した。電解液106は、0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。
(Electrochemical characterization)
Hg / HgSO 4 was used as the reference electrode (RE). The reduction reaction electrode 102 and the oxidation reaction electrode 104 are connected to a constant current power source and energized at a current density of 2.0 mA / cm 2 for 60 minutes, then energized at a current density of 3.0 mA / cm 2 for another 60 minutes, and then the voltage is applied. The value was measured. As the electrolytic solution 106, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution.

図9は、実施例2及び比較例1における電流効率(%)及び電圧(V)を示す。 FIG. 9 shows the current efficiency (%) and the voltage (V) in Example 2 and Comparative Example 1.

実施例2では、光合成装置100内にて光を1時間照射した結果、ギ酸(HCOOH)の生成が確認された。実施例2と同様に評価を行った比較例1と比較すると、実施例2では電流効率が大幅に向上した。また、比較例1に比べて実施例2では反応時の電圧が低い値であり、電力消費を低減することができた。すなわち、実施例2の還元反応用電極102を用いることで、高い電流密度においても良好な特性を得ることができ、反応効率を高めることができ、光合成装置100を小型化することができる。 In Example 2, as a result of irradiating light in the photosynthetic apparatus 100 for 1 hour, the formation of formic acid (HCOOH) was confirmed. Compared with Comparative Example 1 which was evaluated in the same manner as in Example 2, the current efficiency was significantly improved in Example 2. Further, in Example 2, the voltage at the time of reaction was lower than that in Comparative Example 1, and the power consumption could be reduced. That is, by using the reduction reaction electrode 102 of Example 2, good characteristics can be obtained even at a high current density, the reaction efficiency can be improved, and the photosynthesis apparatus 100 can be miniaturized.

<導電性接着剤の特性測定>
図10は、上記第1の実施の形態及び第2の実施の形態において使用される導電性接着剤12の電気抵抗の評価方法を示す図である。透明導電層10a(例えばFTO)が設けられた基板10上に導電性接着剤12を塗布し、カーボンペーパー40を導電性接着剤12を介して貼り付ける。そして、カーボンペーパー40の中心箇所と30mm離れた透明導電層10a上の箇所との間の抵抗値を測定器42によって測定する。
<Measurement of conductive adhesive characteristics>
FIG. 10 is a diagram showing a method for evaluating the electrical resistance of the conductive adhesive 12 used in the first embodiment and the second embodiment. The conductive adhesive 12 is applied onto the substrate 10 provided with the transparent conductive layer 10a (for example, FTO), and the carbon paper 40 is attached via the conductive adhesive 12. Then, the resistance value between the central portion of the carbon paper 40 and the portion on the transparent conductive layer 10a separated by 30 mm is measured by the measuring instrument 42.

当該電気抵抗の評価方法を用いたときの導電性接着剤12の抵抗値は50Ω以下であることが好適である。なお、上記実施例1及び2に使用した導電性接着剤12の抵抗値は11.21Ωであった。 The resistance value of the conductive adhesive 12 when the method for evaluating the electric resistance is used is preferably 50 Ω or less. The resistance value of the conductive adhesive 12 used in Examples 1 and 2 was 11.21Ω.

10 基板、10a 透明導電層、12 導電性接着剤、14 導電体層、16 外部配線、18 支持シール部、20 集電配線、22 第1シール部、24 第2シール部、30 基板、32 透明導電層、34 集電配線、34a 導電部、34b 第1シール部、34c 第2シール部、36 酸化触媒、40 カーボンペーパー、42 測定器、100 光合成装置、102 還元反応用電極、104 酸化反応用電極、106 電解液、108 太陽電池セル、110 窓材、112 枠材、450 熱処理。
10 Substrate, 10a Transparent conductive layer, 12 Conductive adhesive, 14 Conductive layer, 16 External wiring, 18 Support seal part, 20 Current collection wiring, 22 1st seal part, 24 2nd seal part, 30 Substrate, 32 Transparent Conductive layer, 34 current collecting wiring, 34a conductive part, 34b first seal part, 34c second seal part, 36 oxidation catalyst, 40 carbon paper, 42 measuring instrument, 100 photosynthesis device, 102 reduction reaction electrode, 104 oxidation reaction Electrodes, 106 electrolytes, 108 solar cells, 110 window materials, 112 frame materials, 450 heat treatment.

Claims (7)

基板と、導電性接着剤を用いて前記基板に対して接着された還元機能を有する導電体層と、を備え
前記導電性接着剤は、前記基板と前記導電体層とを部分的に接着し、前記基板と前記導電体層との対向面積に対する前記導電性接着剤の占有面積は5%以上40%以下であることを特徴とする還元反応用電極。
A substrate and a conductor layer having a reducing function adhered to the substrate using a conductive adhesive are provided .
The conductive adhesive partially adheres the substrate and the conductor layer, and the occupied area of the conductive adhesive with respect to the facing area between the substrate and the conductor layer is 5% or more and 40% or less. reduction electrode, characterized in that.
請求項1に記載の還元反応用電極であって、
炭素化合物又はプロトンの還元反応に用いられることを特徴とする還元反応用電極。
The reduction reaction electrode according to claim 1.
An electrode for a reduction reaction, which is used for a reduction reaction of a carbon compound or a proton.
請求項1又は2に記載の還元反応用電極であって、
前記基板において前記導電性接着剤で前記導電体層が接着されている側の表面に導電層及び導電性の集電配線が設けられていることを特徴とする還元反応用電極。
The reduction reaction electrode according to claim 1 or 2.
An electrode for a reduction reaction , wherein the conductive layer and the conductive current collecting wiring are provided on the surface of the substrate on the side where the conductive layer is adhered with the conductive adhesive.
請求項に記載の還元反応用電極であって、
前記集電配線の周囲の少なくとも一部は絶縁性のシール材で覆われていることを特徴とする還元反応用電極。
The reduction reaction electrode according to claim 3.
An electrode for a reduction reaction, characterized in that at least a part around the current collecting wiring is covered with an insulating sealing material.
請求項又はに記載の還元反応用電極であって、
前記集電配線の少なくとも一部は前記導電性接着剤で覆われていることを特徴とする還元反応用電極。
The reduction reaction electrode according to claim 3 or 4.
An electrode for a reduction reaction, wherein at least a part of the current collecting wiring is covered with the conductive adhesive.
請求項1〜のいずれか1項に記載の還元反応用電極であって、
前記導電性接着剤は、カーボン系接着剤を含むことを特徴とする還元反応用電極。
The electrode for reduction reaction according to any one of claims 1 to 5.
The conductive adhesive is an electrode for a reduction reaction, which comprises a carbon-based adhesive.
請求項1〜のいずれか1項に記載の還元反応用電極であって、
前記導電体層は、還元機能を有する物質を含むカーボンからなることを特徴とする還元反応用電極。
The electrode for reduction reaction according to any one of claims 1 to 6.
The conductor layer is an electrode for a reduction reaction, which is made of carbon containing a substance having a reducing function.
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