JP7273346B2 - Gas phase reduction method of carbon dioxide - Google Patents
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Description
本発明は、二酸化炭素の気相還元装置、および、二酸化炭素の気相還元方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas phase reduction apparatus for carbon dioxide and a gas phase reduction method for carbon dioxide.
従来、二酸化炭素の気相還元装置が研究開発されている。非特許文献1に開示された二酸化炭素の気相還元装置は、左側の酸化槽と右側の還元槽との間に、イオン交換膜(ナフィオン(商標登録))と還元電極(Cu)とを合わせたガス還元シートを配置して構成される。イオン交換膜は酸化槽側に向けて配置され、還元電極は還元槽側に向けて配置される。酸化槽には電解液として水酸化カリウム(KOH)水溶液を満たし、その水溶液に酸化ニッケル(NiO)の触媒を積層した窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)の酸化電極を浸水させる。酸化電極は、ガス還元シートの還元電極に導線で接続されている。
Conventionally, gas-phase reduction apparatuses for carbon dioxide have been researched and developed. In the gas phase reduction apparatus for carbon dioxide disclosed in
このような二酸化炭素の気相還元装置において、酸化槽内の水酸化カリウム水溶液にヘリウム(He)を入れるとともに還元槽内に二酸化炭素(CO2)を入れ、酸化電極に対して光(hv)を照射すると、ガス還元シートのイオン交換膜(ナフィオン)と還元電極(Cu)と還元槽内の二酸化炭素(CO2)とからなる三相界面で二酸化炭素の還元反応が進行する。具体的には、酸化槽では、水の酸化反応による酸素が生成する。還元槽では、イオン交換膜内のプロトンの還元反応による水素が発生し、二酸化炭素の還元反応による一酸化炭素、ギ酸が生成する。In such a gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide, helium (He) is put into an aqueous solution of potassium hydroxide in the oxidation tank, carbon dioxide (CO 2 ) is put into the reduction tank, and light (hv) is applied to the oxidation electrode. , the reduction reaction of carbon dioxide progresses at the three-phase interface consisting of the ion exchange membrane (Nafion) of the gas reduction sheet, the reduction electrode (Cu), and carbon dioxide (CO 2 ) in the reduction tank. Specifically, in the oxidation tank, oxygen is produced by the oxidation reaction of water. In the reduction tank, hydrogen is generated by the reduction reaction of protons in the ion exchange membrane, and carbon monoxide and formic acid are generated by the reduction reaction of carbon dioxide.
しかしながら、電解液である水酸化カリウム水溶液がイオン交換膜を介して還元電極に常に接触しているため、還元電極が劣化し、二酸化炭素の還元反応の反応場が失われ、二酸化炭素の還元反応の寿命が低下してしまう。この点、水酸化カリウム水溶液を気相還元装置の運転開始に合わせて酸化槽へ注水し、運転停止に合わせて酸化槽から放水することで、水酸化カリウム水溶液と還元電極との接触を気相還元装置の運転時にのみ限定する方法も考えられる。しかし、この方法の場合、酸化槽で生成した酸素がバルブの開閉時に酸化槽から放出されてしまい回収が困難となる。 However, since the potassium hydroxide aqueous solution, which is the electrolytic solution, is always in contact with the reduction electrode via the ion exchange membrane, the reduction electrode deteriorates, the reaction site for the carbon dioxide reduction reaction is lost, and the carbon dioxide reduction reaction lifespan is reduced. In this respect, the aqueous potassium hydroxide solution is injected into the oxidation tank when the operation of the gas-phase reduction apparatus is started, and is discharged from the oxidation tank when the operation is stopped, so that the contact between the aqueous potassium hydroxide solution and the reduction electrode is maintained in the gas phase. It is also conceivable to limit it only when the reducing apparatus is in operation. However, in this method, the oxygen generated in the oxidation tank is released from the oxidation tank when the valve is opened and closed, making recovery difficult.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、還元電極の劣化を抑制し、還元電極上での二酸化炭素の還元反応の寿命を向上可能な技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing deterioration of the reduction electrode and improving the life of the carbon dioxide reduction reaction on the reduction electrode. is.
本発明の一態様の二酸化炭素の気相還元方法は、二酸化炭素の気相還元装置で行う二酸化炭素の気相還元方法において、前記二酸化炭素の気相還元装置は、酸化電極を含む酸化槽と、二酸化炭素が供給される還元槽と、前記酸化槽と前記還元槽との間に配置され、電解液の注水及び放水が可能な中間槽と、前記酸化槽と前記中間槽との間に配置されたイオン交換膜と、イオン交換膜と還元電極とを積層したガス還元シートであり、当該イオン交換膜を前記中間槽に向け、前記還元電極を前記還元槽に向けて、前記還元槽と前記中間槽との間に配置されたガス還元シートと、前記酸化電極と前記還元電極とを接続する導線と、を備え、前記酸化槽に電解液を注水するとともに、前記還元槽に二酸化炭素を供給する第1の工程と、前記酸化電極に光を照射している時にのみ前記中間槽に電解液を注水する第2の工程と、を行う。 A method for gas phase reduction of carbon dioxide according to one aspect of the present invention is a method for gas phase reduction of carbon dioxide performed in a gas phase reduction apparatus for carbon dioxide, wherein the gas phase reduction apparatus for carbon dioxide includes an oxidation tank including an oxidation electrode. , a reduction tank to which carbon dioxide is supplied, an intermediate tank arranged between the oxidation tank and the reduction tank and capable of pouring and discharging the electrolytic solution, and arranged between the oxidation tank and the intermediate tank. a gas reduction sheet in which an ion exchange membrane, an ion exchange membrane, and a reduction electrode are laminated, and the ion exchange membrane is oriented toward the intermediate tank, the reduction electrode is oriented toward the reduction tank, and the reduction tank and the reduction electrode are laminated. A gas reduction sheet disposed between an intermediate tank and a lead wire connecting the oxidation electrode and the reduction electrode, and supplying an electrolytic solution to the oxidation tank and supplying carbon dioxide to the reduction tank. and a second step of pouring the electrolytic solution into the intermediate tank only when the oxidation electrode is irradiated with light.
本発明の一態様の二酸化炭素の気相還元方法は、二酸化炭素の気相還元装置で行う二酸化炭素の気相還元方法において、前記二酸化炭素の気相還元装置は、酸化電極を含む酸化槽と、二酸化炭素が供給される還元槽と、前記酸化槽と前記還元槽との間に配置され、電解液の注水及び放水が可能な中間槽と、前記酸化槽と前記中間槽との間に配置されたイオン交換膜と、イオン交換膜と還元電極とを積層したガス還元シートであり、当該イオン交換膜を前記中間槽に向け、前記還元電極を前記還元槽に向けて、前記還元槽と前記中間槽との間に配置されたガス還元シートと、前記酸化電極と前記還元電極とを接続する導線と、を備え、前記酸化槽に電解液を注水するとともに、前記還元槽に二酸化炭素を供給する第1の工程と、前記酸化電極と前記還元電極との間に電圧を印加している時にのみ前記中間槽に電解液を注水する第2の工程と、を行う。 A method for gas phase reduction of carbon dioxide according to one aspect of the present invention is a method for gas phase reduction of carbon dioxide performed in a gas phase reduction apparatus for carbon dioxide, wherein the gas phase reduction apparatus for carbon dioxide includes an oxidation tank including an oxidation electrode. , a reduction tank to which carbon dioxide is supplied, an intermediate tank arranged between the oxidation tank and the reduction tank and capable of pouring and discharging the electrolytic solution, and arranged between the oxidation tank and the intermediate tank. a gas reduction sheet in which an ion exchange membrane, an ion exchange membrane, and a reduction electrode are laminated, and the ion exchange membrane is oriented toward the intermediate tank, the reduction electrode is oriented toward the reduction tank, and the reduction tank and the reduction electrode are laminated. A gas reduction sheet disposed between an intermediate tank and a lead wire connecting the oxidation electrode and the reduction electrode, and supplying an electrolytic solution to the oxidation tank and supplying carbon dioxide to the reduction tank. and a second step of pouring the electrolytic solution into the intermediate tank only when a voltage is applied between the oxidation electrode and the reduction electrode.
本発明によれば、還元電極の劣化を抑制し、還元電極上での二酸化炭素の還元反応の寿命を向上可能な技術を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a technique capable of suppressing deterioration of the reduction electrode and improving the life of the carbon dioxide reduction reaction on the reduction electrode.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[発明の概要]
本発明は、光照射による二酸化炭素の還元反応を引き起こし、又は、二酸化炭素の電解還元反応を引き起こし、当該還元反応の寿命を向上させる二酸化炭素の気相還元装置に関する発明であり、燃料生成技術や太陽エネルギー変換技術の技術分野に属する。[Summary of Invention]
The present invention relates to a gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide that causes a reduction reaction of carbon dioxide by light irradiation or causes an electrolytic reduction reaction of carbon dioxide to improve the life of the reduction reaction. Belongs to the technical field of solar energy conversion technology.
本発明は、イオン交換膜上に還元電極を直接形成したガス還元シートを用い、還元電極の表面に気相の二酸化炭素を直接的に供給することで、二酸化炭素を還元する二酸化炭素の気相還元装置において、酸化槽と還元槽との間に電解液の注水及び放水が可能な中間槽を配置する。また、酸化槽内の酸化電極に光を照射している時にのみ、又は、酸化電極と還元電極との間に電圧を印加している時にのみ、電解液を中間槽に注水して還元電極に接触させ、ガス還元シートの還元電極において二酸化炭素の還元反応を生じさせる。 The present invention uses a gas reduction sheet in which a reduction electrode is directly formed on an ion exchange membrane, and supplies gaseous carbon dioxide directly to the surface of the reduction electrode to reduce carbon dioxide. In the reduction apparatus, an intermediate tank is arranged between the oxidation tank and the reduction tank, into which the electrolytic solution can be injected and discharged. Only when the oxidation electrode in the oxidation tank is irradiated with light or when a voltage is applied between the oxidation electrode and the reduction electrode, the electrolytic solution is poured into the intermediate tank and applied to the reduction electrode. are brought into contact with each other to cause a reduction reaction of carbon dioxide at the reduction electrode of the gas reduction sheet.
これにより、還元電極の劣化を抑制でき、還元電極上での二酸化炭素の還元反応の寿命を向上可能となる。酸化槽内の電解液を放出しないので、酸化槽内の酸化電極で生成した酸素の回収を妨害することはない。 As a result, deterioration of the reduction electrode can be suppressed, and the life of the carbon dioxide reduction reaction on the reduction electrode can be improved. Since the electrolytic solution in the oxidation tank is not released, it does not interfere with the recovery of oxygen produced at the oxidation electrode in the oxidation tank.
[実施例1]
[二酸化炭素の気相還元装置]
図1は、実施例1に係る二酸化炭素の気相還元装置の構成を示す構成図である。[Example 1]
[Gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide]
FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of a gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide according to Example 1. As shown in FIG.
二酸化炭素の気相還元装置は、酸化電極1を含む酸化槽2と、二酸化炭素(CO2)が供給される還元槽3と、酸化槽2と還元槽3との間に配置され、電解液の注水及び放水が可能な中間槽4と、酸化槽2と中間槽4との間に配置されたイオン交換膜5と、イオン交換膜6と還元電極7とを積層したガス還元シートであり、当該イオン交換膜6を中間槽4に向け、還元電極7を還元槽3に向けて、還元槽3と中間槽4との間に配置されたガス還元シート100と、酸化電極1と還元電極7とを接続する導線8と、酸化電極1に光を照射する光源9と、を備える。以下、詳述する。The gas phase reduction apparatus for carbon dioxide is arranged between an
酸化電極1は、サファイア基板の上にn型の半導体であるn型窒化ガリウム(n-GaN)の薄膜と窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)とをn-GaNとAlGaNとの順にエピタキシャル成長させ、その上にニッケル(Ni)を真空蒸着して熱処理を行うことで酸化ニッケル(NiO)の助触媒薄膜を形成することで構成する。これにより、NiO/AlGaN/n-GaN/サファイアの酸化電極1となる。NiOは、触媒層である。AlGaNは、光吸収層である。この酸化電極1を、酸化槽2に注水された電解液である水溶液10に浸水するように設置する。酸化槽2内の水溶液10は、1mol/Lの水酸化カリウム(KOH)水溶液とする。
The
酸化槽2と中間槽4とは、イオン交換膜5で隔てる。中間槽4に注水される電解液としての水溶液11も、1mol/Lの水酸化カリウム水溶液とする。中間槽4と還元槽3とは、イオン交換膜6上に還元電極7を直接形成したガス還元シート100で隔てる。イオン交換膜6が中間槽4側になり、還元電極7が還元槽3側になるように配置する。酸化槽2と中間槽4との間に配置されたイオン交換膜5と、中間槽4と還元槽3との間に配置されたガス還元シート100のイオン交換膜6とは、いずれも、ナフィオン(登録商標)を用いる。還元電極7は、銅(Cu)を用いる。
The
酸化槽2内で水溶液10に浸水している酸化電極1と、還元槽3に向けて配置されたガス還元シート100の還元電極7とを、導線8で接続する。
The
光源9には、300Wの高圧キセノンランプを用いる。光源9から出力される光は、450nm以上の波長をカットした。
A 300 W high pressure xenon lamp is used as the
図2は、ガス還元シート100を作製する手法として用いた無電解めっき法の反応系を示す図である。イオン交換膜6の片面を研磨する。また、イオン交換膜6のプロトン移動度を向上させるため、イオン交換膜6を騰硝酸と沸騰純水とにそれぞれ漬け込む。左右2つの槽21,22に、表1に示すめっき液31と還元剤32をそれぞれ満たす。
FIG. 2 is a diagram showing the reaction system of the electroless plating method used as a method of producing the
槽21と槽22とは、イオン交換膜6によって隔てられている。イオン交換膜6は、研磨面をめっき液31側にして配置する。還元剤32の主成分であるNaBH4は極性化合物であるため、イオン交換膜6を透過する。めっき液31とイオン交換膜6の研磨面との界面において、下記の酸化還元反応が起きて銅(Cu)が析出することで、イオン交換膜6上に還元電極が形成されたガス還元シート100が得られる。The
BH4
-+4OH-→BO2
-+2H2O+2H2+4e-
Cu2++2e-→CuBH 4 − +4OH − →BO 2 − +2H 2 O+2H 2 +4e −
Cu 2+ +2e − →Cu
[二酸化炭素の気相還元方法]
次に、上記二酸化炭素の気相還元装置で行う二酸化炭素の気相還元方法について説明する。[Gas phase reduction method of carbon dioxide]
Next, a gas phase reduction method of carbon dioxide carried out in the gas phase reduction apparatus for carbon dioxide will be described.
まず、酸化電極1のNiO形成面が光の受光面となるように、酸化電極1のNiO形成面を光源9に向けて固定する(第1の工程)。酸化電極1の光受光面積は、3.8cm2とした。First, the NiO formation surface of the
次に、酸化槽2に、1mol/Lの水酸化カリウムの水溶液10を注水する(第2の工程)。
Next, a 1 mol/L potassium hydroxide
次に、酸化槽2内の水溶液10にチューブ12を入れてヘリウム(He)を流量5ml/minで水溶液10に流し入れるとともに、還元槽3に対して気体入力口13から二酸化炭素(CO2)を同じ流量で流し入れる(第3の工程)。Next, a
次に、酸化槽2と還元槽3とをそれぞれヘリウムと二酸化炭素とで十分に置換した後、中間槽4に、水溶液入力口14から1mol/Lの水酸化カリウムの水溶液11を注水し、光源9を用いて酸化電極1に均一に光を照射する(第4の工程)。
Next, after sufficiently replacing the
このとき、ガス還元シート100内のイオン交換膜(ナフィオン)6と還元電極(Cu)7と気相の二酸化炭素(CO2)とからなる三相界面において、二酸化炭素の還元反応が進行する。二酸化炭素が直接供給される還元電極7の表面積は、約6.8cm2である。At this time, the reduction reaction of carbon dioxide proceeds at the three-phase interface of the ion-exchange membrane (Nafion) 6, the reduction electrode (Cu) 7, and gaseous carbon dioxide (CO 2 ) in the
最後に、酸化電極1への光照射を終了後、中間槽4の水溶液出力口15から水溶液11を放水する(第5の工程)。
Finally, after the light irradiation to the
尚、「請求の範囲」に記載した「第1の工程」は、上記第2の工程及び上記第3の工程に対応する。上記第2の工程と上記第3の工程は、同じタイミングで実施してもよい。還元槽3に二酸化炭素を流し入れる工程は、酸化槽2に水溶液10を注水する工程よりも前のタイミングで実施してもよい。また、「請求の範囲」に記載した「第2の工程」は、上記第4の工程及び上記第5の工程に対応する。
The "first step" described in "Claims" corresponds to the second step and the third step. The second step and the third step may be performed at the same timing. The step of pouring carbon dioxide into the
実施例1では、図3に示すようにプロファイル設定された照度の光を酸化電極1に照射した。「波長領域365nm以上の照度が2.2mW/cm2の光を1時間だけ酸化電極1に照射した後、1時間だけ光を照射せずに待機すること」を繰り返し、正味の光照射時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、光照射を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び光照射を開始する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。In Example 1, the
光照射中における任意の時間に各反応槽内の気体生成物についてガスクロマトグラフを用いて濃度分析した。特に還元槽3内の液体生成物については、液体クロマトグラフで濃度分析した。その結果、酸化槽2では、ホールを用いた水の酸化反応による酸素が生成していることを確認した。還元槽3では、電子を用いたプロトンの還元反応による水素や、二酸化炭素の還元反応による一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタン、エチレン、メタノール、エタノールが生成していることを確認した。
Gas products in each reaction vessel were analyzed for concentration using a gas chromatograph at an arbitrary time during light irradiation. In particular, liquid products in the
[実施例2]
実施例2も、図1に示した実施例1と同じ二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例2では、図4に示すようにプロファイル設定された照度の光を酸化電極1に照射した。「波長領域365nm以上の照度が2.2mW/cm2の光を1時間だけ酸化電極1に照射した後、3時間だけ光を照射せずに待機すること」を繰り返し、正味の光照射時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、光照射を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び光照射を開始する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。その他の点においては実施例1と同様である。[Example 2]
In Example 2, the same vapor-phase reduction apparatus for carbon dioxide as in Example 1 shown in FIG. 1 is used. In Example 2, the
[実施例3]
実施例3も、図1に示した実施例1と同じ二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例3では、図5に示すようにプロファイル設定された照度の光を酸化電極1に照射した。「波長領域365nm以上の照度が2.2mW/cm2の光を1時間だけ酸化電極1に照射した後、5時間だけ光を照射せずに待機すること」を繰り返し、正味の光照射時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、光照射を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び光照射を開始する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。その他の点においては実施例1と同様である。[Example 3]
In Example 3, the same vapor-phase reduction apparatus for carbon dioxide as in Example 1 shown in FIG. 1 is used. In Example 3, the
[実施例4]
実施例4も、図1に示した実施例1と同じ二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例4では、図6に示すようにプロファイル設定された照度の光を酸化電極1に照射した。「波長領域365nm以上の照度が2.2mW/cm2の光を1時間だけ酸化電極1に照射した後、10時間だけ光を照射せずに待機すること」を繰り返し、正味の光照射時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、光照射を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び光照射を開始する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。その他の点においては実施例1と同様である。[Example 4]
In Example 4, the same vapor phase reduction apparatus for carbon dioxide as in Example 1 shown in FIG. 1 is used. In Example 4, the
[実施例5]
図7は、実施例5に係る二酸化炭素の気相還元装置の構成を示す構成図である。[Example 5]
FIG. 7 is a configuration diagram showing the configuration of a gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide according to the fifth embodiment.
実施例5では、光源9の代わりに、電源16を用いる。電源16は、導線8の経路上に挿入される。また、酸化電極1は光を受光する必要がないので、実施例5の酸化電極1は、白金(ニラコ製)を用いて構成した。酸化電極1の表面積は、約0.55cm2とした。その他の構成は、実施例1と同様である。In Example 5, instead of the
酸化槽2と還元槽3とをそれぞれヘリウムと二酸化炭素とで十分に置換した後、酸化電極1と還元電極7の間に電源16を導線8でつなぎ、電圧1.5Vを印加して電流を流した。その他の手順は、実施例1と同様である。
After sufficiently replacing the
即ち、実施例5では、図3に示すようにプロファイル設定された電圧を導線8に印加した。「1.5Vの電圧を1時間だけ酸化電極1と還元電極7との間に印加した後、1時間だけ電圧を印加せずに待機すること」を繰り返し、正味の電圧印加時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、電圧の印加を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び電圧を印加する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。
That is, in Example 5, a voltage having a profile set as shown in FIG. "After applying a voltage of 1.5 V between the
電圧印加中における任意の時間に各反応槽内の気体生成物についてガスクロマトグラフを用いて濃度分析した。特に還元槽3内の液体生成物については、液体クロマトグラフで濃度分析した。その結果、酸化槽2では酸素が生成していることを確認した。還元槽3では、水素、一酸化炭素、ギ酸、ホルムアルデヒド、メタン、エチレン、メタノール、エタノールが生成していることを確認した。
Gas products in each reaction vessel were analyzed for concentration using a gas chromatograph at an arbitrary time during voltage application. In particular, liquid products in the
[実施例6]
実施例6も、図7に示した実施例5と同じ二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例6では、図4に示すようにプロファイル設定された電圧を導線8に印加した。「1.5Vの電圧を1時間だけ酸化電極1と還元電極7との間に印加した後、3時間だけ電圧を印加せずに待機すること」を繰り返し、正味の電圧印加時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、電圧の印加を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び電圧を印加する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。その他の点においては実施例5と同様である。[Example 6]
In Example 6, the same vapor phase reduction apparatus for carbon dioxide as in Example 5 shown in FIG. 7 is used. In Example 6, a voltage profiled as shown in FIG. "After applying a voltage of 1.5 V between the
[実施例7]
実施例1も、図7に示した実施例5と同じ二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例7では、図5に示すようにプロファイル設定された電圧を導線8に印加した。「1.5Vの電圧を1時間だけ酸化電極1と還元電極7との間に印加した後、5時間だけ電圧を印加せずに待機すること」を繰り返し、正味の電圧印加時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、電圧の印加を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び電圧を印加する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。その他の点においては実施例5と同様である。[Example 7]
Example 1 also uses the same vapor phase reduction apparatus for carbon dioxide as Example 5 shown in FIG. In Example 7, a voltage profiled as shown in FIG. "After applying a voltage of 1.5 V between the
[実施例8]
実施例8も、図7に示した実施例5と同じ二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例8では、図6に示すようにプロファイル設定された電圧を導線8に印加した。「1.5Vの電圧を1時間だけ酸化電極1と還元電極7との間に印加した後、10時間だけ電圧を印加せずに待機すること」を繰り返し、正味の電圧印加時間が3時間に達するまで反応を進行させる。また、電圧の印加を停止した時点で水溶液11を中間槽4内から放水し、再び電圧を印加する時点で水溶液11を中間槽4に注水する。その他の点においては実施例5と同様である。[Example 8]
Example 8 also uses the same vapor-phase reduction apparatus for carbon dioxide as Example 5 shown in FIG. In Example 8, a voltage profiled as shown in FIG. "After applying a voltage of 1.5 V between the
[比較対象例1]
比較対象例1では、実施例1と同様に、図1に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例1と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。この構成は、図8に示す従来の二酸化炭素の気相還元装置と同じである。その他の点においては実施例1と同様である。[Example 1 for comparison]
In Comparative Example 1, as in Example 1, the gas phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. 1 is used. Compared with Example 1, the
[比較対象例2]
比較対象例2でも、図1に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例2と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例2と同様である。[Comparison example 2]
Comparative Example 2 also uses the gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. Compared with Example 2, the
[比較対象例3]
比較対象例3でも、図1に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例3と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例3と同様である。[Example 3 for comparison]
Comparative Example 3 also uses the vapor-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. Compared with Example 3, the
[比較対象例4]
比較対象例4でも、図1に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例4と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例4と同様である。[Example 4 for comparison]
Comparative Example 4 also uses the gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. Compared with Example 4, the
[比較対象例5]
比較対象例5では、実施例5と同様に、図7に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例5と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例5と同様である。[Comparative example 5]
In Comparative Example 5, as in Example 5, the vapor-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. 7 is used. Compared with Example 5, the
[比較対象例6]
比較対象例6でも、図7に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例6と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例6と同様である。[Example 6 for comparison]
Comparative Example 6 also uses the gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. Compared with Example 6, the
[比較対象例7]
比較対象例7でも、図7に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例7と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例7と同様である。[Example 7 for comparison]
Comparative Example 7 also uses the gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. Compared with Example 7, the
[比較対象例8]
比較対象例8でも、図7に示した二酸化炭素の気相還元装置を用いる。実施例8と比較して、光照射時間及び光停止時間にかかわらず、中間槽4には常に水溶液11が満たされている。その他の点においては実施例8と同様である。[Comparative example 8]
Comparative Example 8 also uses the gas-phase reduction apparatus for carbon dioxide shown in FIG. Compared with Example 8, the
[効果]
実施例1~8及び比較対象事例1~8に関して、正味の光照射時間が3時間に達した時点での二酸化炭素還元の電流維持率を表2に示す。[effect]
Table 2 shows the current maintenance rate of carbon dioxide reduction when the net light irradiation time reaches 3 hours for Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 to 8.
二酸化炭素還元の電流維持率は、式(1)を用いて算出する。二酸化炭素還元の電流維持率(%)の値が大きいほど、二酸化炭素還元反応の寿命が向上したと考えられる。 The current maintenance rate of carbon dioxide reduction is calculated using Equation (1). It is considered that the larger the value of the current maintenance rate (%) of carbon dioxide reduction, the longer the life of the carbon dioxide reduction reaction.
二酸化炭素還元の電流維持率(%)=(光照射又は電圧印加から正味3時間後における二酸化炭素還元の電流値)/(光照射又は電圧印加から10分後における二酸化炭素還元の電流値)・・・(1)
Current maintenance rate of carbon dioxide reduction (%) = (current value of carbon dioxide reduction net 3 hours after light irradiation or voltage application) / (current value of
尚、式(1)の右辺変数である「二酸化炭素還元の電流値」は、還元反応生成物の濃度をA[ppm]、キャリアガスの流量をB[L/sec]、還元反応に必要な電子数をZ[mol]、ファラデー定数をF[C/mol]、気体のモル体をVm[L/mol]としたとき、式(2)を用いて算出した。In addition, the "current value for carbon dioxide reduction", which is the variable on the right side of the equation (1), is the concentration of the reduction reaction product A [ppm], the flow rate of the carrier gas B [L / sec], and the amount required for the reduction reaction. When Z [mol] is the number of electrons, F [C/mol] is the Faraday constant, and V m [L/mol] is the molar body of the gas, it was calculated using Equation (2).
二酸化炭素還元の電流値[A]=(A×B×Z×F×10-6)/Vm・・・(2)Current value for carbon dioxide reduction [A]=(A×B×Z×F×10 −6 )/V m (2)
光照射時において、待機時間が1時間、3時間、5時間、10時間のそれぞれの場合について、実施例1~4と比較対象例1~4とを比較すると、各実施例では各比較対象例よりも二酸化炭素還元の電流維持率が向上したことを把握できる。また、電圧印加時において、待機時間が1時間、3時間、5時間、10時間のそれぞれの場合について、実施例5~8と比較対象例5~8とを比較すると、光照射時と同様に、各実施例では各比較対象例よりも二酸化炭素還元の電流維持率が向上したことを把握できる。 When comparing Examples 1 to 4 with Comparative Examples 1 to 4 for each of the standby times of 1 hour, 3 hours, 5 hours, and 10 hours at the time of light irradiation, each comparative example in each example It can be understood that the current maintenance rate of carbon dioxide reduction was improved more. Further, when comparing Examples 5 to 8 with Comparative Examples 5 to 8 for each of the standby times of 1 hour, 3 hours, 5 hours, and 10 hours at the time of voltage application, the results are similar to those at the time of light irradiation. , it can be understood that the current maintenance rate for carbon dioxide reduction is improved in each example as compared to each comparative example.
この結果より、光照射時間又は電圧印加時間である反応進行時間に限定して、中間槽4に水溶液11を満たすことにより、二酸化炭素還元反応の寿命が向上したことが分かる。これは、実施例1~8において、非光照射時間又は非電圧印加時間である反応停止時間に、イオン交換膜6を介した還元電極7への水溶液11の接触を防止したことにより、還元電極7の劣化が抑制できたためと考える。
From this result, it can be seen that the lifetime of the carbon dioxide reduction reaction was improved by filling the
以上、実施例1~8によれば、イオン交換膜6上に還元電極7を直接形成したガス還元シート100上で気相の二酸化炭素を直接的に還元する二酸化炭素の気相還元装置において、酸化槽2と還元槽3の間に電解液である水溶液11の注水及び放水が可能な中間槽4を配置し、酸化電極に光を照射している時にのみ、又は、酸化電極と還元電極との間に電圧を印加している時にのみ、還元電極7と水溶液11とを接触させるので、酸化電極1で生成する酸素の回収を妨害せず、還元電極7の劣化を抑制でき、還元電極7上での二酸化炭素の還元反応の寿命を向上することができる。
As described above, according to Examples 1 to 8, in the gas phase reduction apparatus for carbon dioxide in which gas phase carbon dioxide is directly reduced on the
[その他]
本発明は上記実施例1~8に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。実施例1~4の酸化電極1として示す窒化物半導体は、異なる積層構造でもよく、インジウムやアルミニウムを含むような異なる組成でも構わない。また、実施例1~4の酸化電極1には、窒化物半導体の代わりに、酸化チタン、アモルファスシリコンのような光活性を示す化合物を用いても構わない。実施例5~8の酸化電極1は、白金の代わりに、金、銀、銅、インジウム、ニッケル等の金属でも構わない。還元電極7は、銅の代わりに、金、白金、銀、パラジウム、ガリウム、インジウム、ニッケル、スズ、カドニウムや、それらの合金でもよく、それらの金属及び金属酸化物とカーボンの混合物質でも構わない。水溶液10,11は、水酸化カリウム水溶液の代わりに、水酸化ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液を用いても構わない。イオン交換膜6は、例えば、ナフィオンと呼ばれるカチオン交換膜であり、炭素-フッ素からなる疎水性テフロン骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料である。ガス還元シートの作製手法は、無電解めっき法以外に、電気めっき法、物理蒸着法、化学蒸着法でも構わない。[others]
The present invention is not limited to the above Examples 1 to 8, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention. The nitride semiconductor shown as the
1:酸化電極
2:酸化槽
3:還元槽
4:中間槽
5:イオン交換膜
6:イオン交換膜
7:還元電極
8:導線
9:光源
10:水溶液
11:水溶液
12:チューブ
13:気体入力口
14:水溶液入力口
15:水溶液出力口
16:電源
100:ガス還元シート
1: oxidation electrode 2: oxidation tank 3: reduction tank 4: intermediate tank 5: ion exchange membrane 6: ion exchange membrane 7: reduction electrode 8: conducting wire 9: light source 10: aqueous solution 11: aqueous solution 12: tube 13: gas inlet 14: Aqueous solution input port 15: Aqueous solution output port 16: Power supply 100: Gas reduction sheet
Claims (2)
前記二酸化炭素の気相還元装置は、The gas-phase reduction device for carbon dioxide includes:
酸化電極を含む酸化槽と、an oxidation bath comprising an oxidation electrode;
二酸化炭素が供給される還元槽と、a reduction tank to which carbon dioxide is supplied;
前記酸化槽と前記還元槽との間に配置され、電解液の注水及び放水が可能な中間槽と、an intermediate tank disposed between the oxidation tank and the reduction tank and capable of injecting and discharging an electrolytic solution;
前記酸化槽と前記中間槽との間に配置されたイオン交換膜と、an ion exchange membrane disposed between the oxidation tank and the intermediate tank;
イオン交換膜と還元電極とを積層したガス還元シートであり、当該イオン交換膜を前記中間槽に向け、前記還元電極を前記還元槽に向けて、前記還元槽と前記中間槽との間に配置されたガス還元シートと、A gas reduction sheet in which an ion exchange membrane and a reduction electrode are laminated, and is arranged between the reduction tank and the intermediate tank with the ion exchange membrane facing the intermediate tank and the reduction electrode facing the reduction tank. a gas reduction sheet that has been
前記酸化電極と前記還元電極とを接続する導線と、を備え、a conducting wire connecting the oxidation electrode and the reduction electrode,
前記酸化槽に電解液を注水するとともに、前記還元槽に二酸化炭素を供給する第1の工程と、a first step of injecting an electrolytic solution into the oxidation tank and supplying carbon dioxide to the reduction tank;
前記酸化電極に光を照射している時にのみ前記中間槽に電解液を注水する第2の工程と、a second step of pouring the electrolytic solution into the intermediate tank only when the oxidation electrode is irradiated with light;
を行う二酸化炭素の気相還元方法。gas phase reduction method of carbon dioxide.
前記二酸化炭素の気相還元装置は、The gas-phase reduction device for carbon dioxide includes:
酸化電極を含む酸化槽と、an oxidation bath comprising an oxidation electrode;
二酸化炭素が供給される還元槽と、a reduction tank to which carbon dioxide is supplied;
前記酸化槽と前記還元槽との間に配置され、電解液の注水及び放水が可能な中間槽と、an intermediate tank disposed between the oxidation tank and the reduction tank and capable of injecting and discharging an electrolytic solution;
前記酸化槽と前記中間槽との間に配置されたイオン交換膜と、an ion exchange membrane disposed between the oxidation tank and the intermediate tank;
イオン交換膜と還元電極とを積層したガス還元シートであり、当該イオン交換膜を前記中間槽に向け、前記還元電極を前記還元槽に向けて、前記還元槽と前記中間槽との間に配置されたガス還元シートと、A gas reduction sheet in which an ion exchange membrane and a reduction electrode are laminated, and is arranged between the reduction tank and the intermediate tank with the ion exchange membrane facing the intermediate tank and the reduction electrode facing the reduction tank. a gas reduction sheet that has been
前記酸化電極と前記還元電極とを接続する導線と、を備え、a conducting wire connecting the oxidation electrode and the reduction electrode,
前記酸化槽に電解液を注水するとともに、前記還元槽に二酸化炭素を供給する第1の工程と、a first step of injecting an electrolytic solution into the oxidation tank and supplying carbon dioxide to the reduction tank;
前記酸化電極と前記還元電極との間に電圧を印加している時にのみ前記中間槽に電解液を注水する第2の工程と、a second step of pouring an electrolytic solution into the intermediate tank only when a voltage is applied between the oxidation electrode and the reduction electrode;
を行う二酸化炭素の気相還元方法。gas phase reduction method of carbon dioxide.
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