JP6950384B2 - Electrode for reduction reaction - Google Patents
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Description
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).
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>
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(CO2)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
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
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(TiO2)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta2O5)等とすることが好適である。
The
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
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
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
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)Cl2]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2Cl2]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2]n、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(CH3CN)Cl2]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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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(CO2)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(CO2)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(O2)を外部の燃料タンクに回収する。
The
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
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
二酸化炭素(CO2)からギ酸(HCOOH)等を合成する場合、水(H2O)は酸化されて二酸化炭素(CO2)に電子とプロトンを供給する。pH7付近では水(H2O)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(CO2)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)、メチルアルコール(CH3OH)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(CO2)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
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
[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)Cl2]FeCl3・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
(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(K2IrCl6)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(HNO3)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
[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/HgSO4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/cm2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(K2HPO4+KH2PO4)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO2)ガスを流通させた。
(Electrochemical characterization)
Hg / HgSO 4 was used as the reference electrode (RE). The
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
<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
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
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
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
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
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
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
[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)Cl2]FeCl3・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
(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
(電気化学特性評価)
参照極(RE)としてHg/HgSO4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/cm2で60分通電した後、電流密度3.0mA/cm2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(K2HPO4+KH2PO4)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO2)ガスを流通させた。
(Electrochemical characterization)
Hg / HgSO 4 was used as the reference electrode (RE). The
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
<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
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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