JP7392482B2 - carbon dioxide reduction catalyst - Google Patents

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Description

本発明は、二酸化炭素還元触媒に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide reduction catalyst.

大気中の二酸化炭素(CO)濃度の上昇による地球温暖化やエネルギー資源、炭素資源の枯渇といった問題の解決に向けて、二酸化炭素等の炭素化合物を還元するための触媒の研究が世界中で活発に行われている。中でも、金属錯体は、炭素化合物還元触媒として優れた性質を有したものが多数報告されている。 Research into catalysts for reducing carbon compounds such as carbon dioxide is being carried out around the world in order to solve problems such as global warming caused by rising concentrations of carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere and the depletion of energy and carbon resources. It is being actively carried out. Among these, many metal complexes have been reported to have excellent properties as catalysts for reducing carbon compounds.

例えば、特許文献1には、炭素化合物還元触媒であるポルフィリン錯体を用いて、COを含む水溶液を電気還元することによって、COを生成する技術が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a technique for producing CO by electrically reducing an aqueous solution containing CO 2 using a porphyrin complex that is a carbon compound reduction catalyst.

また、特許文献2には、中心金属と、電子を蓄積できる配位子と、単座配位子と、が結合した金属錯体を含む炭素化合物還元触媒が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a carbon compound reduction catalyst including a metal complex in which a central metal, a ligand capable of accumulating electrons, and a monodentate ligand are bonded.

また、非特許文献1には、Cu錯体を炭素化合物還元触媒として用いて、COを還元し、COを生成する技術が開示されている。 Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses a technique for reducing CO 2 and producing CO using a Cu complex as a carbon compound reduction catalyst.

また、非特許文献2には、Cu(OH)を炭素化合物還元触媒として用いることが記載されている。 Furthermore, Non-Patent Document 2 describes the use of Cu(OH) 2 as a carbon compound reduction catalyst.

特開2018-034136号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-034136 特開2013-193056号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-193056

J.Am.Chem.Soc.,2018,140(49),p17241-17254J. Am. Chem. Soc. , 2018, 140(49), p17241-17254 J.Am.Chem.Soc.,2018,140(28),p8681-8689J. Am. Chem. Soc. , 2018, 140(28), p8681-8689 ACS Catal.2017,7,p8382-8385ACS Catal. 2017, 7, p8382-8385

ところで、二酸化炭素の還元反応において、エネルギー資源的に2電子還元生成物より有用な2電子を超える多電子還元生成物を効率的に生成させることが可能な触媒が望まれている。なお、二酸化炭素の2電子還元により生成する2電子還元生成物は、例えば、CO、HCOOH等がある。また、二酸化炭素の2電子を超える多電子還元により生成する多電子還元生成物は、例えば、CH(8電子還元生成物)、C(12電子還元生成物)、COH(12電子還元生成物)等がある。 By the way, in the reduction reaction of carbon dioxide, a catalyst is desired that can efficiently generate a multi-electron reduction product having more than two electrons, which is more useful than a two-electron reduction product in terms of energy resources. Note that two-electron reduction products produced by two-electron reduction of carbon dioxide include, for example, CO, HCOOH, and the like. Further, multi-electron reduction products generated by multi-electron reduction of carbon dioxide exceeding 2 electrons include, for example, CH 4 (8-electron reduction product), C 2 H 4 (12-electron reduction product), C 2 H 5 OH (12-electron reduction product), etc.

しかし、従来の金属錯体を用いた触媒では、2電子還元生成物が優先的に生成され、多電子還元生成物を生成させることは困難である。 However, with conventional catalysts using metal complexes, two-electron reduction products are preferentially produced, and it is difficult to produce multi-electron reduction products.

そこで、本発明の目的は、二酸化炭素の還元反応において、CH、C、COH等の多電子還元生成物の生成を促進させることができる炭素化合物還元触媒を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a carbon compound reduction catalyst that can promote the production of multi-electron reduction products such as CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 5 OH, etc. in the reduction reaction of carbon dioxide. There is a particular thing.

本発明は、窒素原子を有する配位子と、リン原子を有する配位子と、2つの金属原子を有し、そのうちの少なくとも1つがCuであるハロゲン化金属塩とを有する金属錯体を含む二酸化炭素還元触媒である。 The present invention provides a carbon dioxide comprising a metal complex having a ligand having a nitrogen atom, a ligand having a phosphorus atom, and a metal halide salt having two metal atoms, at least one of which is Cu. It is a carbon reduction catalyst.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記金属錯体が結晶構造化していることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, it is preferable that the metal complex has a crystal structure.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記金属錯体は、一般式A:[{CuMX(Y)}(L)]で表され、一般式A中、MはCu、Ag又はNiであり、Xはハロゲン原子であり、Yはリン原子を有する配位子であり、Lは窒素原子を有する配位子であることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, the metal complex is represented by the general formula A: [{CuMX 2 (Y) 2 } (L)] n , and in the general formula A, M is Cu, Ag or Ni. , X is a halogen atom, Y is a ligand having a phosphorus atom, and L is preferably a ligand having a nitrogen atom.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記一般式A中のXはCl、Br及びIから選択されることが好ましい。 Furthermore, in the carbon dioxide reduction catalyst, X in the general formula A is preferably selected from Cl, Br, and I.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記一般式A中のYはトリフェニルホスフィンであることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, Y in the general formula A is preferably triphenylphosphine.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記一般式A中のLはビピリジン誘導体であることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, L in the general formula A is preferably a bipyridine derivative.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記金属錯体は、一般式B:CuMX(Y)で表され、一般式B中、Mは、Cu、Ag又はNiであり、Xはハロゲン原子であり、Yはリン原子を有する配位子であり、Lはピリジン環を有する配位子であることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, the metal complex is represented by the general formula B: CuMX 2 (Y) 2 L 2 , where M is Cu, Ag or Ni, and X is a halogen atom. It is preferable that Y is a ligand having a phosphorus atom, and L is a ligand having a pyridine ring.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記一般式B中のXはCl、Br及びIから選択されることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, X in the general formula B is preferably selected from Cl, Br, and I.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記一般式B中のYはトリフェニルホスフィンであることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, Y in the general formula B is preferably triphenylphosphine.

また、前記二酸化炭素還元触媒において、前記一般式B中のLは4-フェニルピリジンであることが好ましい。 Further, in the carbon dioxide reduction catalyst, L in the general formula B is preferably 4-phenylpyridine.

本発明によれば、二酸化炭素の還元反応において、CH、C、COH等の多電子還元生成物の生成を促進させることができる。 According to the present invention, the production of multi-electron reduction products such as CH 4 , C 2 H 4 and C 2 H 5 OH can be promoted in the reduction reaction of carbon dioxide.

本実施形態に係る炭素化合物還元装置の一例を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a carbon compound reduction device according to the present embodiment. 本実施形態に係る炭素化合物還元装置の他の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows another example of the carbon compound reduction apparatus based on this embodiment. 実施例1~7の還元反応用電極のFE-SEM像である。1 is an FE-SEM image of the reduction reaction electrodes of Examples 1 to 7. 本実施形態に係る炭素化合物還元装置の一例を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a carbon compound reduction device according to the present embodiment.

本実施形態に係る炭素化合物還元触媒は、窒素原子を有する配位子と、リン原子を有する配位子と、2つの金属原子を有し、そのうちの少なくとも1つはCuであるハロゲン化金属塩とを有する金属錯体を含む。 The carbon compound reduction catalyst according to the present embodiment includes a metal halide salt having a ligand having a nitrogen atom, a ligand having a phosphorus atom, and two metal atoms, at least one of which is Cu. including metal complexes having

二酸化炭素の還元反応は、電極等から電子を受け取った金属錯体が、触媒サイトに配位した二酸化炭素と反応することで進行する。ここで、二酸化炭素の還元反応において、CH、C、COH等の多電子還元生成物を生成する方が、COやHCOOHの2電子還元生成物を生成するより多くの電子が必要となる。したがって、多電子還元生成物の生成を促進するには、触媒サイト周辺に多くの電子を蓄積する構造を有する金属錯体を使用することが好ましい。そして、窒素原子を有する配位子と、リン原子を有する配位子と、2つの金属原子を有し、そのうちの少なくとも1つがCuであるハロゲン化金属塩とを有する金属錯体は、触媒サイト(ハロゲン化金属塩を構成する金属元素(実質的にはCu))の周囲に多くの電子を蓄積することができるため、多電子還元反応が促進される(すなわち、多電子還元生成物の生成が促進される)。 The reduction reaction of carbon dioxide proceeds as a metal complex that receives electrons from an electrode or the like reacts with carbon dioxide coordinated to a catalytic site. Here, in the reduction reaction of carbon dioxide, it is more efficient to generate multi-electron reduction products such as CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 5 OH than to generate 2-electron reduction products such as CO and HCOOH. of electrons are required. Therefore, in order to promote the production of multi-electron reduction products, it is preferable to use a metal complex having a structure that accumulates many electrons around the catalytic site. A metal complex having a ligand having a nitrogen atom, a ligand having a phosphorus atom, and a metal halide salt having two metal atoms, at least one of which is Cu, has a catalytic site ( Since many electrons can be accumulated around the metal element (substantially Cu) constituting the metal halide salt, the multi-electron reduction reaction is promoted (that is, the generation of multi-electron reduction products is facilitated).

本実施形態の金属錯体は、結晶構造化していることが好ましい。結晶構造化した金属錯体は、例えば、下記の金属錯体ユニットが一次元主鎖上に伸長した上で、それらが重なり合う構造となっている。なお、結晶構造の解析は、粉末X線回折(XRD)測定(リガク社、UltimaIV)により行うことができる。

Figure 0007392482000001
M:金属原子
X:ハロゲン
Y:リン原子を含む配位子
L:窒素原子を含む配位子 The metal complex of this embodiment preferably has a crystal structure. A crystalline metal complex has, for example, a structure in which the following metal complex units extend on a one-dimensional main chain and overlap. The crystal structure can be analyzed by powder X-ray diffraction (XRD) measurement (Rigaku Co., Ltd., Ultima IV).
Figure 0007392482000001
M: Metal atom X: Halogen Y: Ligand containing phosphorus atom L: Ligand containing nitrogen atom

本実施形態の金属錯体が結晶構造化することにより、複数のハロゲン化金属塩が集まって、複数の金属元素(触媒サイト)が近接した状態となるため、多くの電子を触媒サイトから二酸化炭素還元反応に利用することができる。その結果、多電子還元生成物の生成が促進される。 When the metal complex of this embodiment forms a crystal structure, multiple halogenated metal salts come together and multiple metal elements (catalyst sites) are in close proximity, so many electrons are transferred from the catalytic sites to carbon dioxide reduction. Can be used for reactions. As a result, the production of multi-electron reduction products is promoted.

結晶構造化した金属錯体は、例えば、一般式A:[{CuMX(Y)}(L)]で表される(nは、例えば2以上)。一般式A中、MはCuと共にハロゲン化金属塩を構成する金属元素であればよいが、触媒活性が高く、多電子還元生成物の生成を促進する点で、Cu、Ag又はNiであることが好ましく、Cuであることがより好ましい。一般式A中、Xはハロゲン原子であれば特に限定されないが、結晶構造の安定性、多電子還元物の生成量の点で、Br、Cl及びIから選択されることが好ましく、特にBrが好ましい。 The crystalline metal complex is represented by, for example, the general formula A: [{CuMX 2 (Y) 2 }(L)] n (n is, for example, 2 or more). In general formula A, M may be any metal element that constitutes a metal halide salt together with Cu, but it should be Cu, Ag, or Ni because it has high catalytic activity and promotes the production of multi-electron reduction products. is preferable, and Cu is more preferable. In general formula A, X is not particularly limited as long as it is a halogen atom, but is preferably selected from Br, Cl and I in terms of stability of crystal structure and amount of multi-electron reduced products, with Br being particularly preferred. preferable.

一般式A中、Yはリン原子を有する配位子であれば特に限定されないが、例えば、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリ-n-プロピルホスフィン、トリイソプロピルホスフィン、トリ-n-ブチルホスフィン、トリ-tert.-ブチルホスフィン、トリ-n-ペンチルホスフィン、トリシクロペンチルホスフィン、トリ-n-ヘキシルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリ-n-ヘプチルホスフィン、トリ-n-オクチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリス(2-メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(4-メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2,6-ジメトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2-フリル)ホスフィン、トリス(4-ジメチルアミノフェニル)ホスフィン、トリ-p-トリルホスフィン、トリス-(4-フルオロフェニル)ホスフィン、トリス[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ホスフィン、トリス(ペンタフルオロフェニル)ホスフィン等が挙げられる。これらの中では、立体障害が小さく、かつ疎水性を有し安定性が高い点等から、トリフェニルホスフィン(PPh)が好ましい。 In general formula A, Y is not particularly limited as long as it is a ligand having a phosphorus atom, but examples include trimethylphosphine, triethylphosphine, tri-n-propylphosphine, triisopropylphosphine, tri-n-butylphosphine, tri- tert. -Butylphosphine, tri-n-pentylphosphine, tricyclopentylphosphine, tri-n-hexylphosphine, tricyclohexylphosphine, tri-n-heptylphosphine, tri-n-octylphosphine, triphenylphosphine, tris(2-methoxyphenyl) ) phosphine, tris(4-methoxyphenyl)phosphine, tris(2,6-dimethoxyphenyl)phosphine, tris(2-furyl)phosphine, tris(4-dimethylaminophenyl)phosphine, tri-p-tolylphosphine, tris- Examples include (4-fluorophenyl)phosphine, tris[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]phosphine, and tris(pentafluorophenyl)phosphine. Among these, triphenylphosphine (PPh 3 ) is preferred because of its low steric hindrance, hydrophobicity, and high stability.

一般式A中、Lは窒素原子を有する配位子であれば特に限定されないが、電極から電子を受け取る最低非占有分子軌道(LUMO)を担う配位子であることが好ましく、例えば、ビピリジン誘導体等が挙げられる。ビピリジン誘導体としては、例えば、4,4’-ジ(4-ピリジル)ビフェニル、4,4’-ジピリジル、1,2-ジ(4-ピリジル)エタン、1,2-ジ(4-ピリジル)エチレン、N,N’-ジ(4-ピリジル)-1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボキシジイミド、4-(4-ピペリジル)ピリジン等が挙げられる。これらの中では、例えば、多電子還元生成物の生成を促進することができる点、二酸化炭素の還元反応の際の副反応である水素生成反応を抑制する点で、4,4’-ジ(4-ピリジル)ビフェニルが好ましい。なお、一般式A中の配位子Lは、一般式Aの基本単位が配位子Lを介して繰り返される連結基として作用する。 In general formula A, L is not particularly limited as long as it is a ligand having a nitrogen atom, but it is preferably a ligand that carries the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) that receives electrons from an electrode, such as a bipyridine derivative. etc. Examples of bipyridine derivatives include 4,4'-di(4-pyridyl)biphenyl, 4,4'-dipyridyl, 1,2-di(4-pyridyl)ethane, 1,2-di(4-pyridyl)ethylene , N,N'-di(4-pyridyl)-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxydiimide, 4-(4-piperidyl)pyridine, and the like. Among these, for example, 4,4'-di( 4-pyridyl)biphenyl is preferred. Note that the ligand L in the general formula A acts as a linking group in which the basic unit of the general formula A is repeated via the ligand L.

結晶構造化した金属錯体は、二酸化炭素還元の触媒活性の点で、例えば、10nm~1000nmの粒径を有する微粒子であることが好ましい。 The crystal-structured metal complex is preferably fine particles having a particle size of, for example, 10 nm to 1000 nm in terms of catalytic activity for carbon dioxide reduction.

また、本実施形態の金属錯体は、例えば、以下の構造式で表される金属錯体でもよい。すなわち、一般式B:CuMX(Y)で表される金属錯体でもよい。

Figure 0007392482000002
Moreover, the metal complex of this embodiment may be, for example, a metal complex represented by the following structural formula. That is, a metal complex represented by the general formula B: CuMX 2 (Y) 2 L 2 may be used.
Figure 0007392482000002

一般式B中、MはCuと共にハロゲン化金属塩を構成する金属元素であればよいが、触媒活性が高く、多電子還元生成物の生成を促進する点で、Cu、Ag又はNiであることが好ましく、Cuであることがより好ましい。一般式B中、Xはハロゲン原子であれば特に限定されないが、結晶構造の安定性、多電子還元物の生成量の点で、Br、Cl及びIから選択されることが好ましく、特にBrが好ましい。 In general formula B, M may be any metal element that constitutes a metal halide salt together with Cu, but it should be Cu, Ag, or Ni because it has high catalytic activity and promotes the production of multi-electron reduction products. is preferable, and Cu is more preferable. In general formula B, X is not particularly limited as long as it is a halogen atom, but is preferably selected from Br, Cl and I in terms of stability of the crystal structure and amount of multi-electron reduced products, with Br being particularly preferred. preferable.

一般式B中、Yはリン原子を有する配位子であれば特に限定されないが、例えば、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリ-n-プロピルホスフィン、トリイソプロピルホスフィン、トリ-n-ブチルホスフィン、トリ-tert.-ブチルホスフィン、トリ-n-ペンチルホスフィン、トリシクロペンチルホスフィン、トリ-n-ヘキシルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリ-n-ヘプチルホスフィン、トリ-n-オクチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリス(2-メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(4-メトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2,6-ジメトキシフェニル)ホスフィン、トリス(2-フリル)ホスフィン、トリス(4-ジメチルアミノフェニル)ホスフィン、トリ-p-トリルホスフィン、トリス-(4-フルオロフェニル)ホスフィン、トリス[3,5-ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ホスフィン、トリス(ペンタフルオロフェニル)ホスフィン等が挙げられる。これらの中では、疎水性を有し安定性が高い点等から、トリフェニルホスフィン(PPh)が好ましい。 In general formula B, Y is not particularly limited as long as it is a ligand having a phosphorus atom, but examples include trimethylphosphine, triethylphosphine, tri-n-propylphosphine, triisopropylphosphine, tri-n-butylphosphine, tri- tert. -Butylphosphine, tri-n-pentylphosphine, tricyclopentylphosphine, tri-n-hexylphosphine, tricyclohexylphosphine, tri-n-heptylphosphine, tri-n-octylphosphine, triphenylphosphine, tris(2-methoxyphenyl) ) phosphine, tris(4-methoxyphenyl)phosphine, tris(2,6-dimethoxyphenyl)phosphine, tris(2-furyl)phosphine, tris(4-dimethylaminophenyl)phosphine, tri-p-tolylphosphine, tris- Examples include (4-fluorophenyl)phosphine, tris[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]phosphine, and tris(pentafluorophenyl)phosphine. Among these, triphenylphosphine (PPh 3 ) is preferred because of its hydrophobicity and high stability.

一般式B中、Lはピリジン環を有する配位子であれば特に限定されない。但し、配位子Lは、一般式Bの基本単位が配位子Lを介して繰り返される連結基として作用しないものである。このようなピリジン環を有する配位子は、例えば、2-メチルピリジン、2-エチルピリジン、4-プロピルピリジン、2-ビニルピリジン、N,N-ジメチル-4-アミノピリジン、4-フェニルピリジン、2-ヒドロキシピリジン、1,5-ナフチリジン、2,2’-ビピリジル、1,3-ジ(4-ピリジル)プロパン、4-ピリジル-4’-メチルピリジルビフェニル、4-メチルピリジン、3-ベンジルピリジン等が挙げられる。これらの中では、例えば、多電子還元生成物の生成を促進することができる点、二酸化炭素の還元反応の際の副反応である水素生成反応を抑制する点で、4-フェニルピリジルが好ましい。 In general formula B, L is not particularly limited as long as it is a ligand having a pyridine ring. However, the ligand L does not act as a linking group in which the basic unit of general formula B is repeated via the ligand L. Ligands having such a pyridine ring include, for example, 2-methylpyridine, 2-ethylpyridine, 4-propylpyridine, 2-vinylpyridine, N,N-dimethyl-4-aminopyridine, 4-phenylpyridine, 2-hydroxypyridine, 1,5-naphthyridine, 2,2'-bipyridyl, 1,3-di(4-pyridyl)propane, 4-pyridyl-4'-methylpyridylbiphenyl, 4-methylpyridine, 3-benzylpyridine etc. Among these, 4-phenylpyridyl is preferred, for example, in that it can promote the production of multi-electron reduction products and in that it suppresses the hydrogen production reaction, which is a side reaction during the reduction reaction of carbon dioxide.

一般式B(CuMX(Y))は、一般式Aのように基本単位が多数つながった繰り返し構造を有していないが、本発明者らが鋭意検討した結果、一般式B(CuMX(Y))で表される金属錯体であっても、多くの電子が触媒サイトから二酸化炭素還元反応に利用され、多電子還元生成物の生成が促進されることが分かった。 Although the general formula B (CuMX 2 (Y) 2 L 2 ) does not have a repeating structure in which many basic units are connected like the general formula A, as a result of intensive study by the present inventors, the general formula B ( It was found that even in the metal complex represented by CuMX 2 (Y) 2 L 2 ), many electrons are utilized from the catalytic site for the carbon dioxide reduction reaction, promoting the production of multi-electron reduction products. .

本実施形態に係る炭素化合物還元触媒は、前述の金属錯体に加えて、本実施形態の効果を損なわない範囲において、従来公知の炭素化合物還元触媒を含んでもよい。 In addition to the above-mentioned metal complex, the carbon compound reduction catalyst according to the present embodiment may contain a conventionally known carbon compound reduction catalyst to the extent that the effects of the present embodiment are not impaired.

以下に、本実施形態に係る炭素化合物還元触媒を用いた炭素化合物還元装置、人工光合成装置の一例について説明する。 Below, an example of a carbon compound reduction device and an artificial photosynthesis device using the carbon compound reduction catalyst according to the present embodiment will be described.

図1及び図4は、本実施形態に係る炭素化合物還元装置の一例を示す概略構成図である。図1及び図4に示す炭素化合物還元装置1は、二酸化炭素等の炭素化合物の還元反応に用いられる還元反応用電極10(陰極)と、還元反応用電極10と電気的に接続され、酸化反応を生起する酸化反応用電極12(陽極)と、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間に配置される隔膜11と、電解液14と、を含んで構成される。 1 and 4 are schematic configuration diagrams showing an example of a carbon compound reduction apparatus according to this embodiment. The carbon compound reduction apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 4 is electrically connected to a reduction reaction electrode 10 (cathode) used for a reduction reaction of carbon compounds such as carbon dioxide, and is electrically connected to the reduction reaction electrode 10 to perform an oxidation reaction. It is configured to include an oxidation reaction electrode 12 (anode) that causes oxidation reaction, a diaphragm 11 disposed between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12, and an electrolyte 14.

図1及び図4に示す炭素化合物還元装置1は、収容容器16を備えており、収容容器16内は、還元反応用電極10により、ガス供給室18と電解液収容室20とに区画されている。還元反応用電極10の一方の面はガス供給室18に面し、還元反応用電極10の他方の面は電解液収容室20に面している。なお、還元反応用電極10は、例えば、枠材(不図示)により構造的に支持されていてもよい。 The carbon compound reduction apparatus 1 shown in FIGS. 1 and 4 includes a storage container 16, and the inside of the storage container 16 is divided into a gas supply chamber 18 and an electrolyte storage chamber 20 by a reduction reaction electrode 10. There is. One surface of the reduction reaction electrode 10 faces the gas supply chamber 18 , and the other surface of the reduction reaction electrode 10 faces the electrolyte storage chamber 20 . Note that the reduction reaction electrode 10 may be structurally supported by, for example, a frame material (not shown).

図1に示す炭素化合物還元装置1においては、ガス供給室18側の収容容器16の側壁に、ガス供給口22及びガス排出口24が設けられている。そして、二酸化炭素等の炭素化合物を含むガスがガス供給口22からガス供給室18内に供給され、ガス供給室18内のガスがガス排出口24から排出される。炭素化合物を含むガスは、水蒸気等の水分を含んでいることが望ましい。電解液収容室20には、電解液14が収容されている。また、電解液14が収容された電解液収容室20内には、隔膜11及び酸化反応用電極12が設置されている。図4に示す炭素化合物還元装置1においては、ガス供給室18側の収容容器16の側壁に、ガス供給口22が設けられ、電解液収容室20側の収容容器16の上壁に、ガス排出口24が設けられている。そして、二酸化炭素等の炭素化合物を含むガスがガス供給口22からガス供給室18内に供給され、還元反応用電極10及び隔膜11を透過して、電解液収容室20を通り、ガス排出口24から排出される。 In the carbon compound reduction apparatus 1 shown in FIG. 1, a gas supply port 22 and a gas discharge port 24 are provided in the side wall of the storage container 16 on the gas supply chamber 18 side. Then, gas containing carbon compounds such as carbon dioxide is supplied into the gas supply chamber 18 from the gas supply port 22, and the gas within the gas supply chamber 18 is discharged from the gas discharge port 24. It is desirable that the gas containing the carbon compound contains moisture such as water vapor. The electrolytic solution 14 is accommodated in the electrolytic solution storage chamber 20 . Further, a diaphragm 11 and an oxidation reaction electrode 12 are installed in the electrolyte storage chamber 20 in which the electrolyte 14 is stored. In the carbon compound reduction apparatus 1 shown in FIG. 4, a gas supply port 22 is provided in the side wall of the container 16 on the gas supply chamber 18 side, and a gas exhaust port 22 is provided in the upper wall of the container 16 on the electrolyte storage chamber 20 side. An outlet 24 is provided. Gas containing carbon compounds such as carbon dioxide is supplied into the gas supply chamber 18 from the gas supply port 22, passes through the reduction reaction electrode 10 and the diaphragm 11, passes through the electrolyte storage chamber 20, and passes through the gas discharge port. It is discharged from 24.

電解液14は、電解質及び溶媒を含む。電解質としては、例えば、塩化カリウム(KCl)、炭酸水素ナトリウム(NaHCO)、炭酸水素カリウム(KHCO)、硫酸カリウム(KSO)、炭酸カリウム(KCO)、四ホウ酸カリウム(K)、リン酸水素二カリウム(KHPO)、リン酸二水素カリウム(KHPO)、水酸化カリウム(KOH)等が挙げられる。溶媒としては、例えば、水が挙げられる。 Electrolyte solution 14 includes an electrolyte and a solvent. Examples of electrolytes include potassium chloride (KCl), sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), potassium hydrogen carbonate (KHCO 3 ), potassium sulfate (K 2 SO 4 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and potassium tetraborate. (K 2 B 4 O 7 ), dipotassium hydrogen phosphate (K 2 HPO 4 ), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 ), potassium hydroxide (KOH), and the like. Examples of the solvent include water.

電解質の濃度は、例えば、0.01mol/L~10mol/Lの範囲であり、0.1mol/L~1.0mol/Lの範囲であることが好ましい。 The concentration of the electrolyte is, for example, in the range of 0.01 mol/L to 10 mol/L, preferably in the range of 0.1 mol/L to 1.0 mol/L.

還元反応用電極10は、二酸化炭素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10は、例えば、多孔構造を有する基材に、既述の炭素化合物還元触媒を担持することにより形成される。基材は、導電性を有することが好ましく、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック、カーボンクロス、カーボンペーパー、グラッシーカーボン、グラファイト、タンタル(Ta)等が挙げられる。 The reduction reaction electrode 10 is an electrode used to reduce carbon dioxide. The reduction reaction electrode 10 is formed, for example, by supporting the carbon compound reduction catalyst described above on a base material having a porous structure. The base material preferably has electrical conductivity, and examples thereof include carbon nanotubes, graphene, carbon black, carbon cloth, carbon paper, glassy carbon, graphite, tantalum (Ta), and the like.

酸化反応用電極12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12としては、例えば、基板と、基板に担持される酸化触媒とを有する。酸化触媒は、例えば、水酸化物等のニッケル化合物、水酸化物等の鉄化合物、リン酸またはホウ酸等のコバルト化合物、酸化イリジウム(IrO、x=1~2)、半導体等が挙げられる。基板としては、ステンレス、カーボン、フッ素含有酸化錫(FTO)、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、半導体等が挙げられる。半導体は、酸化タングステン(WO)、バナジン酸ビスマス(BiVO)、酸化鉄(Fe)、シリコン(Si)、酸窒化タンタル(TaON)等が挙げられる。 The oxidation reaction electrode 12 is an electrode used to oxidize a substance by an oxidation reaction. The oxidation reaction electrode 12 includes, for example, a substrate and an oxidation catalyst supported on the substrate. Examples of the oxidation catalyst include nickel compounds such as hydroxides, iron compounds such as hydroxides, cobalt compounds such as phosphoric acid or boric acid, iridium oxide (IrO x , x = 1 to 2), semiconductors, etc. . Examples of the substrate include stainless steel, carbon, fluorine-containing tin oxide (FTO), tin-doped indium oxide (ITO), and semiconductors. Examples of the semiconductor include tungsten oxide (WO 3 ), bismuth vanadate (BiVO 4 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), silicon (Si), tantalum oxynitride (TaON), and the like.

図1及び図4に示す炭素化合物還元装置に使用される隔膜11は、陰イオン交換膜、陽イオン交換膜、又は両者を共に供したもの等である。なお、多電子還元生成物の生成を促進させることができる点で、還元反応用電極側に配置される陰イオン交換膜と、酸化反応用電極側に配置される陽イオン交換膜と、を有する複合膜を使用することが好ましい。 The diaphragm 11 used in the carbon compound reduction apparatus shown in FIGS. 1 and 4 is an anion exchange membrane, a cation exchange membrane, or a combination of both. In addition, in that it can promote the production of multi-electron reduction products, it has an anion exchange membrane disposed on the reduction reaction electrode side and a cation exchange membrane disposed on the oxidation reaction electrode side. Preference is given to using composite membranes.

隔膜11は、例えば、還元反応用電極10と共に、枠材(不図示)により構造的に支持されていてもよい。 The diaphragm 11 may be structurally supported, for example, together with the reduction reaction electrode 10 by a frame material (not shown).

還元反応用電極10と酸化反応用電極12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ことで、酸化反応用電極12においては、酸化反応が生起され、還元反応用電極10においては、ガス供給口22からガス供給室18内に供給された二酸化炭素等の炭素化合物の還元反応が進行する。還元反応用電極では、例えば、二酸化炭素の還元反応により、COやHCOOH等の2電子還元生成物やCH、C、COH等の多電子還元生成物が生成されるが、既述の炭素化合物還元触媒の触媒作用により、CH、C、COH等の多電子還元生成物の生成が促進される。 By electrically connecting the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 and applying an appropriate bias voltage, an oxidation reaction occurs in the oxidation reaction electrode 12, and the reduction reaction In the electrode 10, a reduction reaction of carbon compounds such as carbon dioxide supplied from the gas supply port 22 into the gas supply chamber 18 proceeds. At the reduction reaction electrode, for example, two-electron reduction products such as CO and HCOOH and multi-electron reduction products such as CH 4 , C 2 H 4 , and C 2 H 5 OH are generated by the reduction reaction of carbon dioxide. However, the catalytic action of the carbon compound reduction catalyst described above promotes the production of multi-electron reduction products such as CH 4 , C 2 H 4 and C 2 H 5 OH.

還元反応用電極10及び酸化反応用電極12に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。 The means for applying a bias voltage to the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 is not particularly limited, and may include chemical batteries (including primary batteries, secondary batteries, etc.), constant voltage sources, solar cells, etc. can be mentioned.

バイアス電圧を印加する手段として太陽電池を用いることにより、図1及び図4に示す炭素化合物還元装置1と、還元反応用電極10及び酸化反応用電極12に供給される電力を生成する太陽電池と、を備える人工光合成装置とすることができる。本実施形態に係る人工光合成装置は、炭素化合物還元装置の還元反応用電極10と酸化反応用電極12が太陽電池を介して接続され、太陽光をエネルギー源として駆動される。 By using a solar cell as a means for applying a bias voltage, the carbon compound reducing apparatus 1 shown in FIGS. An artificial photosynthesis device can be provided. In the artificial photosynthesis device according to this embodiment, the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 of the carbon compound reduction device are connected via a solar cell, and the artificial photosynthesis device is driven using sunlight as an energy source.

図2は、本実施形態に係る炭素化合物還元装置の他の一例を示す概略構成図である。図2に示す炭素化合物還元装置2では、収容容器16内が、隔膜11により、陰極室28と陽極室30とに区画され、陰極室28内に還元反応用電極10が配置され、陽極室30内に酸化反応用電極12が配置されている。また、陰極室28及び陽極室30には電解液14が収容されている。なお、陰極室28及び陽極室30に収容される電解液14は同じものでも異なるものでもよい。図2に示す炭素化合物還元装置2では、隔膜11により区画された陰極室28に直接二酸化炭素含有ガスが供給される。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing another example of the carbon compound reduction apparatus according to the present embodiment. In the carbon compound reduction apparatus 2 shown in FIG. 2, the inside of the storage container 16 is divided into a cathode chamber 28 and an anode chamber 30 by a diaphragm 11, the reduction reaction electrode 10 is arranged in the cathode chamber 28, and the anode chamber 30 is divided into a cathode chamber 28 and an anode chamber 30. An oxidation reaction electrode 12 is placed inside. Further, the cathode chamber 28 and the anode chamber 30 contain an electrolytic solution 14. Note that the electrolytes 14 contained in the cathode chamber 28 and the anode chamber 30 may be the same or different. In the carbon compound reducing apparatus 2 shown in FIG. 2, carbon dioxide-containing gas is directly supplied to the cathode chamber 28 partitioned by the diaphragm 11.

図1~2及び図4に示す炭素化合物還元装置(1~2)は、還元反応用電極10及び酸化反応用電極12を用いた二電極式であるが、これに限定されず、参照極を組み合わせた三電極式でもよい。図2の炭素化合物還元装置2のように、陰極室28及び陽極室30を備える二室型の装置の場合、参照極は、例えば、陰極室28側に設置される。 The carbon compound reduction apparatus (1-2) shown in FIGS. 1-2 and 4 is a two-electrode type using an electrode 10 for reduction reaction and an electrode 12 for oxidation reaction, but is not limited thereto. A combined three-electrode type may also be used. In the case of a two-chamber type device including a cathode chamber 28 and an anode chamber 30, such as the carbon compound reduction device 2 in FIG. 2, the reference electrode is installed on the cathode chamber 28 side, for example.

以下、実施例により本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be further explained with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

<金属錯体作製手法1>
撹拌した超純水(20mL)中に、トリフェニルホスフィン(PPh)アセトン溶液(400μL)とビピリジン誘導体ジメチルホルムアミド溶液(400μL)をシリンジで注入することで、PPhナノ結晶/ビピリジン誘導体ナノ結晶混合分散液を作製した。最後に、臭化銅(CuBr)アセトニトリル溶液(400μL)をPPhナノ結晶分散液に、シリンジを用いて滴下し、10分静置することで、金属錯体ナノ結晶[{CuBr(PPh}(L)](式中、Lはビピリジン誘導体)を得た。
<Metal complex preparation method 1>
PPh 3 nanocrystals/bipyridine derivative nanocrystals were mixed by injecting triphenylphosphine (PPh 3 ) acetone solution (400 μL) and bipyridine derivative dimethylformamide solution (400 μL) into stirred ultrapure water (20 mL) using a syringe. A dispersion liquid was prepared. Finally, copper bromide (CuBr) acetonitrile solution (400 μL) was added dropwise to the PPh 3 nanocrystal dispersion using a syringe, and the mixture was left to stand for 10 minutes . 3 ) 2 }(L)] n (wherein L is a bipyridine derivative) was obtained.

<金属錯体作製手法2>
撹拌したビピリジン誘導体含有水溶液(20mL)中に、トリフェニルホスフィン(PPh)アセトン溶液(400μL)をシリンジで注入することで、PPhナノ結晶/ビピリジン誘導体ナノ結晶混合分散液を得た。最後に、臭化銅(CuBr)アセトニトリル溶液(400μL)をPPhナノ結晶分散液に、シリンジを用いて滴下し、10分静置することで、金属錯体ナノ結晶[{CuBr(PPh}(L)](式中、Lはビピリジン誘導体)を得た。
<Metal complex preparation method 2>
A mixed dispersion of PPh 3 nanocrystals/bipyridine derivative nanocrystals was obtained by injecting a triphenylphosphine (PPh 3 ) acetone solution (400 μL) into the stirred bipyridine derivative-containing aqueous solution (20 mL) using a syringe. Finally, copper bromide (CuBr) acetonitrile solution (400 μL) was added dropwise to the PPh 3 nanocrystal dispersion using a syringe, and the mixture was left to stand for 10 minutes . 3 ) 2 }(L)] n (wherein L is a bipyridine derivative) was obtained.

(実施例1)
<還元反応用電極>
ビピリジン誘導体として4,4’-ジ(4-ピリジル)ビフェニル(以下、DPB1と称する)を使用し、上記作製手法1により、[{CuBr(PPh}(DBP1)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製した。
(Example 1)
<Electrode for reduction reaction>
Using 4,4'-di(4-pyridyl)biphenyl (hereinafter referred to as DPB1) as a bipyridine derivative, [{Cu 2 Br 2 (PPh 3 ) 2 } (DBP1) ] was prepared by the above production method 1. We prepared the metal complex nanocrystals shown below.

50mm×50mmの撥水処理済みカーボンペーパーの両面にそれぞれ20mL分の上記作製した金属錯体ナノ結晶を濾過して、カーボンペーパーに金属錯体ナノ結晶を転写した。 20 mL of the metal complex nanocrystals prepared above were filtered on each side of a 50 mm x 50 mm water-repellent carbon paper, and the metal complex nanocrystals were transferred to the carbon paper.

<CO還元反応試験>
電気化学測定は、図1に示す三電極式の装置を用いた。作用極として上記還元反応用電極、対極(酸化反応用電極)として白金箔(ニラコ社製、PT-353212、φ20mm×0.02mm、99.98%)、参照極として銀/塩化銀電極(株式会社イーシーフロンティア、RE-14)を用いた。また、隔膜として、作用極側に配置される陰イオン交換膜(アストム社製、ASE)と対極側に配置される陽イオン交換膜(デュポン社製、Nafion117)とを有する複合膜を用いた。また、電解液として、0.5Mの炭酸水素カリウム水溶液を用いた。作用極、対極及び参照極を電気化学測定システム(Bio-Logic Science Instruments、SP-150)に接続し、ガス供給室に二酸化炭素ガス(99.995%)を10ml/minで流通しながら、作用極に-1.6V(vs.Ag/AgCl)の電圧を2時間印加して、電気化学測定を行った。電気化学測定に伴う生成物の同定及び定量には、オンラインガスクロマトグラフ(SRI Instruments、Multiple Gas Analyzer #5)を使用した。カラムには、MOLECULAR SIEVE SAとHAYESEP-Dを用い、検出器は熱伝導度型検出器(TCD)並びに水素炎イオン化検出器(FID)を使用した。
< CO2 reduction reaction test>
For electrochemical measurements, a three-electrode device shown in FIG. 1 was used. The above electrode for reduction reaction was used as a working electrode, platinum foil (manufactured by Nilaco, PT-353212, φ20 mm x 0.02 mm, 99.98%) was used as a counter electrode (electrode for oxidation reaction), and silver/silver chloride electrode (manufactured by Nilaco Co., Ltd.) was used as a reference electrode. EC Frontier, RE-14) was used. Further, as a diaphragm, a composite membrane was used that had an anion exchange membrane (manufactured by Astom, ASE) placed on the working electrode side and a cation exchange membrane (manufactured by DuPont, Nafion 117) placed on the counter electrode side. Furthermore, a 0.5M potassium hydrogen carbonate aqueous solution was used as the electrolyte. The working electrode, counter electrode, and reference electrode were connected to an electrochemical measurement system (Bio-Logic Science Instruments, SP-150), and while carbon dioxide gas (99.995%) was flowing through the gas supply chamber at 10 ml/min, the working electrode was Electrochemical measurements were performed by applying a voltage of -1.6 V (vs.Ag/AgCl) to the poles for 2 hours. An online gas chromatograph (SRI Instruments, Multiple Gas Analyzer #5) was used for product identification and quantification associated with electrochemical measurements. MOLECULAR SIEVE SA and HAYESEP-D were used as columns, and a thermal conductivity type detector (TCD) and a flame ionization detector (FID) were used as detectors.

(実施例2)
ビピリジン誘導体として4,4’-ジピリジル(以下、BPYと称する)を使用し、上記作製手法2により、[{CuBr(PPh}(BPY)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製したこと以外は、実施例1と同様に還元反応用電極を作製し、当該還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 2)
Using 4,4'-dipyridyl (hereinafter referred to as BPY) as a bipyridine derivative, the metal complex nano represented by [{Cu 2 Br 2 (PPh 3 ) 2 } (BPY)] n was prepared by the above production method 2. A reduction reaction electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that crystals were prepared, and a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1 using the reduction reaction electrode.

(実施例3)
ビピリジン誘導体として1,2-ジ(4-ピリジル)エタン(以下、DPE1と称する)を使用し、上記作製手法2により、[{CuBr(PPh}(DPE1)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製したこと以外は、実施例1と同様に還元反応用電極を作製し、当該還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 3)
Using 1,2-di(4-pyridyl)ethane (hereinafter referred to as DPE1) as a bipyridine derivative, by the above production method 2, a compound represented by [{Cu 2 Br 2 (PPh 3 ) 2 } (DPE1)] n A reduction reaction electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that metal complex nanocrystals were prepared, and a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1 using the reduction reaction electrode. .

(実施例4)
ビピリジン誘導体として1,2-ジ(4-ピリジル)エチレン(以下、DPE2と称する)を使用し、上記作製手法2により、[{CuBr(PPh}(DPE2)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製したこと以外は、実施例1と同様に還元反応用電極を作製し、還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 4)
Using 1,2-di(4-pyridyl)ethylene (hereinafter referred to as DPE2) as a bipyridine derivative, by the above production method 2, a compound expressed by [{Cu 2 Br 2 (PPh 3 ) 2 } (DPE2)] n A reduction reaction electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that metal complex nanocrystals were prepared, and a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1 using the reduction reaction electrode.

(実施例5)
ビピリジン誘導体としてN,N’-ジ(4-ピリジル)-1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボキシジイミド(以下、NDIと称する)を使用し、上記作製手法1により、[{CuBr(PPh}(NDI)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製したこと以外は、実施例1と同様に還元反応用電極を作製し、当該還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 5)
[{Cu 2 Br 2 (PPh 3 ) 2 } (NDI)] A reduction reaction electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that metal complex nanocrystals represented by n were prepared, and the reduction reaction electrode was used to carry out the experiment. A CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1.

(実施例6)
ビピリジン誘導体として4-(4-ピペリジル)ピリジン(以下、PPPと称する)を使用し、上記作製手法2により、[{CuBr(PPh}(PPP)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製したこと以外は、実施例1と同様に還元反応用電極を作製し、当該還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 6)
Using 4-(4-piperidyl)pyridine (hereinafter referred to as PPP) as a bipyridine derivative, the metal represented by [{Cu 2 Br 2 (PPh 3 ) 2 } (PPP)] n A reduction reaction electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that complex nanocrystals were prepared, and a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1 using the reduction reaction electrode.

(実施例7)
ビピリジン誘導体として4-(4-ピペリジル)ピリジン(以下、PPPと称する)を使用し、上記作製手法2により、[{CuCl(PPh}(PPP)]で表される金属錯体ナノ結晶を作製したこと以外は、実施例1と同様に還元反応用電極を作製し、当該還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 7)
Using 4-(4-piperidyl)pyridine (hereinafter referred to as PPP) as a bipyridine derivative, the metal represented by [{Cu 2 Cl 2 (PPh 3 ) 2 } (PPP)] n A reduction reaction electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that complex nanocrystals were prepared, and a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1 using the reduction reaction electrode.

(比較例1)
臭化銅(CuBr)を含むアセトニトリル溶液(400μL)をドロップキャスト法で撥水処理済みカーボンペーパーに添加することにより、還元反応用電極を作製し、当該還元反応用電極を用いて、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Comparative example 1)
A reduction reaction electrode was prepared by adding an acetonitrile solution (400 μL) containing copper bromide (CuBr) to water-repellent carbon paper using a drop-casting method, and using the reduction reaction electrode, Example 1 A CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner.

(比較例2)
50mm×50mmの撥水処理済みカーボンペーパーに、RFマグネトロンスパッタリング装置(キャノントッキ社製、SPK-404L)を用いたスパッタ法で、銅を成膜した。ターゲットは銅円板(高純度化学研究所製、φ101.6×t1、99.99%)を用いた。印加出力は100W、スパッタガスはAr、背圧は0.5Paで、約100nmの厚みとなるように銅を成膜した。これを還元反応用電極として、実施例1と同様にCO還元反応試験を行った。
(Comparative example 2)
A copper film was formed on a 50 mm x 50 mm water-repellent carbon paper by a sputtering method using an RF magnetron sputtering device (manufactured by Canon Tokki, SPK-404L). A copper disk (manufactured by Kojundo Kagaku Kenkyusho, φ101.6×t1, 99.99%) was used as the target. The applied power was 100 W, the sputtering gas was Ar, the back pressure was 0.5 Pa, and a copper film was formed to a thickness of about 100 nm. Using this as an electrode for reduction reaction, a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 1.

図3に、実施例1~7の還元反応用電極のFE-SEM像を示す。FE-SEM像は走査電子顕微鏡S-5500(日立ハイテクノロジーズ)により得た。図3に示すように、実施例1~7では、金属錯体の結晶構造の形態が異なっていた。これは、金属錯体の配位子の違いによるものであり、具体的には配位子の剛直性や回転自由度の違いによるものと考えられる。 FIG. 3 shows FE-SEM images of the reduction reaction electrodes of Examples 1 to 7. FE-SEM images were obtained using a scanning electron microscope S-5500 (Hitachi High Technologies). As shown in FIG. 3, Examples 1 to 7 had different crystal structure forms of the metal complexes. This is thought to be due to differences in the ligands of the metal complexes, and more specifically, to differences in rigidity and rotational freedom of the ligands.

表1及び表2に、実施例1~7及び比較例1~2のCO還元反応試験により生成した生成物の電流効率及び生成量を示す。 Tables 1 and 2 show the current efficiency and amount of products produced in the CO 2 reduction reaction tests of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2.

Figure 0007392482000003
Figure 0007392482000003

Figure 0007392482000004
Figure 0007392482000004

表1及び2の結果から、実施例1~7はいずれも、比較例1及び2と比べて、CH、C、COH等の多電子還元生成物の生成割合が増加した。すなわち、実施例1~7で使用した金属錯体により、二酸化炭素の還元反応において、多電子還元生成物の生成を促進させることができた。実施例1~7の中では、4,4’-ジ(4-ピリジル)ビフェニル(DPB)が配位した金属錯体を使用した実施例1が、多電子還元生成物の生成割合が高く、また水素生成割合が低かった。これは、DPB配位子の疎水性や電子吸引性が他の配位子と比べて高いためであると考えられる。 From the results in Tables 1 and 2, it can be seen that in Examples 1 to 7, the production ratio of multi-electron reduction products such as CH 4 , C 2 H 4 , C 2 H 5 OH, etc. was higher than in Comparative Examples 1 and 2. increased. That is, the metal complexes used in Examples 1 to 7 were able to promote the production of multi-electron reduction products in the reduction reaction of carbon dioxide. Among Examples 1 to 7, Example 1, which used a metal complex coordinated with 4,4'-di(4-pyridyl)biphenyl (DPB), had a high production rate of multi-electron reduction products and also Hydrogen production rate was low. This is considered to be because the hydrophobicity and electron-withdrawing properties of the DPB ligand are higher than those of other ligands.

(実施例8)
トリフェニルホスフィン(PPh)アセトン溶液(400μL)と4-フェニルピリジン(4PP)アセトン溶液(400μL)を混合し、得られた混合液に、臭化銅(CuBr)アセトニトリル溶液(400μL)をシリンジにより滴下し、10分静置することで、金属錯体分子(CuBr(PPh)4PP)を得た。
(Example 8)
Triphenylphosphine (PPh 3 ) acetone solution (400 μL) and 4-phenylpyridine (4PP) acetone solution (400 μL) were mixed, and copper bromide (CuBr) acetonitrile solution (400 μL) was added to the resulting mixture using a syringe. A metal complex molecule (CuBr(PPh 3 ) 4PP) was obtained by dropping the mixture and leaving it for 10 minutes.

20mm×20mmの撥水処理済みカーボンペーパーの両面にそれぞれ2μMに相当する量の上記作製した金属錯体分子を減圧濾過して、カーボンペーパーに上記作製した金属錯体分子を転写した。これを還元反応用電極とした。 The metal complex molecules prepared above in an amount corresponding to 2 μM were filtered under reduced pressure on both sides of a 20 mm x 20 mm water-repellent carbon paper, and the metal complex molecules prepared above were transferred to the carbon paper. This was used as an electrode for reduction reaction.

<CO還元反応試験>
電気化学測定は、図2に示す装置を用いた。作用極として上記還元反応用電極、対極(酸化反応用電極)として白金箔(ニラコ社製、PT-353212、φ20mm×0.02mm、99.98%)、参照極として銀/塩化銀電極(株式会社イーシーフロンティア、RE-14)を用いた。陰極室に還元反応用電極及び参照極を設置し、陽極室に対極を設置した。陰極室と陽極室とを区画する隔膜として、陰イオン交換膜(アストム社製、ASE)を用いた。また、電解液として、0.5Mの炭酸水素カリウム水溶液を用いた。
< CO2 reduction reaction test>
For the electrochemical measurements, the apparatus shown in FIG. 2 was used. The above electrode for reduction reaction was used as a working electrode, platinum foil (manufactured by Nilaco, PT-353212, φ20 mm x 0.02 mm, 99.98%) was used as a counter electrode (electrode for oxidation reaction), and silver/silver chloride electrode (manufactured by Nilaco Co., Ltd.) was used as a reference electrode. EC Frontier, RE-14) was used. A reduction reaction electrode and a reference electrode were installed in the cathode chamber, and a counter electrode was installed in the anode chamber. An anion exchange membrane (manufactured by Astom, ASE) was used as a diaphragm that partitioned the cathode chamber and the anode chamber. Furthermore, a 0.5M potassium hydrogen carbonate aqueous solution was used as the electrolyte.

作用極、対極及び参照極を電気化学測定システム(Bio-Logic Science Instruments、SP-150)に接続し、陰極室内の電解液に二酸化炭素ガス(99.995%)を10ml/minで供給しながら、作用極に-2.0V(vs.Ag/AgCl)の電圧を1時間印加して、電気化学測定を行った。電気化学測定に伴う生成物の同定及び定量には、オンラインガスクロマトグラフ(SRI Instruments、Multiple Gas Analyzer #5)を使用した。カラムには、MOLECULAR SIEVE SAとHAYESEP-Dを用い、検出器は熱伝導度型検出器(TCD)並びに水素炎イオン化検出器(FID)を使用した。 The working electrode, counter electrode, and reference electrode were connected to an electrochemical measurement system (Bio-Logic Science Instruments, SP-150), and carbon dioxide gas (99.995%) was supplied to the electrolyte in the cathode chamber at a rate of 10 ml/min. Electrochemical measurements were performed by applying a voltage of -2.0 V (vs.Ag/AgCl) to the working electrode for 1 hour. An online gas chromatograph (SRI Instruments, Multiple Gas Analyzer #5) was used for product identification and quantification associated with electrochemical measurements. MOLECULAR SIEVE SA and HAYESEP-D were used as columns, and a thermal conductivity type detector (TCD) and a flame ionization detector (FID) were used as detectors.

(実施例9)
金属錯体分子の作製において、4-フェニルピリジン(4PP)アセトン溶液(400μL)を4-ピリジル-4’-メチルピリジルビフェニル(mDPB)アセトン溶液(400μL)に変更して、金属錯体分子(CuBr(PPh)mDPB)を得たこと以外は、実施例8と同様に還元反応用電極を作製した。そして、当該還元反応用電極を用いて、実施例8と同様にCO還元反応試験を行った。
(Example 9)
In preparing the metal complex molecule, the 4-phenylpyridine (4PP) acetone solution (400 μL) was changed to the 4-pyridyl-4'-methylpyridylbiphenyl (mDPB) acetone solution (400 μL), and the metal complex molecule (CuBr(PPh) 3 ) A reduction reaction electrode was produced in the same manner as in Example 8, except that mDPB) was obtained. Then, using the reduction reaction electrode, a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 8.

(比較例3)
比較例2の還元反応用電極を用いて、実施例8と同様にCO還元反応試験を行った。
(Comparative example 3)
Using the reduction reaction electrode of Comparative Example 2, a CO 2 reduction reaction test was conducted in the same manner as in Example 8.

表3及び表4に、実施例8~9及び比較例3のCO還元反応試験により生成した生成物の電流効率及び生成量を示す。 Tables 3 and 4 show the current efficiency and amount of products produced in the CO 2 reduction reaction tests of Examples 8 to 9 and Comparative Example 3.

Figure 0007392482000005
Figure 0007392482000005

Figure 0007392482000006
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CO還元反応試験により生成した生成物の電流効率(括弧内は生成量)の結果は、実施例8では、CH:50.7%(47.1μmol)、H:14.1%(52.6μmol)、C:15.9%(9.1μmol)、COH:9.1%(5.2μmol)であり、実施例9では、CH:31.7%(18.5μmol)、H:30.0%(70.3μmol)、C:2.3%(1.2μmol)、COH:1.8%(0.9μmol)であり、比較例3では、CH:13.3%(11.3μmol)、H:43.0%(146.5μmol)、C:11.1%(6.3μmol)、COH:4.4%(2.5μmol)であった。すなわち、実施例8,9はいずれも、比較例3と比べて、CHの生成割合を増加させ、副生成物であるHの生成割合を減少させることができた。特に、4-フェニルピリジンが配位した金属錯体を使用した実施例8は、CHの生成割合だけでなく、C及びCOHの生成割合も増加した。 The results of the current efficiency of the product produced by the CO 2 reduction reaction test (the amount produced in parentheses) were as follows: In Example 8, CH 4 : 50.7% (47.1 μmol), H 2 : 14.1% ( 52.6 μmol), C 2 H 4 : 15.9% (9.1 μmol), C 2 H 5 OH: 9.1% (5.2 μmol), and in Example 9, CH 4 : 31.7%. (18.5 μmol), H 2 : 30.0% (70.3 μmol), C 2 H 4 : 2.3% (1.2 μmol), C 2 H 5 OH: 1.8% (0.9 μmol). Yes, in Comparative Example 3, CH 4 : 13.3% (11.3 μmol), H 2 : 43.0% (146.5 μmol), C 2 H 4 : 11.1% (6.3 μmol), C 2 H 5 OH: 4.4% (2.5 μmol). That is, in both Examples 8 and 9, compared to Comparative Example 3, the production rate of CH 4 was increased and the production rate of H 2 as a byproduct was able to be decreased. In particular, in Example 8 using a metal complex coordinated with 4-phenylpyridine, not only the production rate of CH 4 but also the production rate of C 2 H 4 and C 2 H 5 OH increased.

1,2 炭素化合物還元装置、10 還元反応用電極、11 隔膜、12 酸化反応用電極、14 電解液、16 収容容器、18 ガス供給室、20 電解液収容室、22 ガス供給口、24 ガス排出口、28 陰極室、30陽極室。
Reference Signs List 1, 2 Carbon compound reduction device, 10 Electrode for reduction reaction, 11 Diaphragm, 12 Electrode for oxidation reaction, 14 Electrolyte, 16 Storage container, 18 Gas supply chamber, 20 Electrolyte storage chamber, 22 Gas supply port, 24 Gas exhaust Exit, 28 cathode chamber, 30 anode chamber.

Claims (10)

窒素原子を有する配位子と、
リン原子を有する配位子と、
2つの金属原子を有し、そのうちの少なくとも1つがCuであるハロゲン化金属塩と、を有する金属錯体を含むことを特徴とする二酸化炭素還元触媒。
a ligand having a nitrogen atom;
a ligand having a phosphorus atom;
A carbon dioxide reduction catalyst comprising a metal complex having a metal halide salt having two metal atoms, at least one of which is Cu.
前記金属錯体が結晶構造化していることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素還元触媒。 The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 1, wherein the metal complex has a crystal structure. 前記金属錯体は、一般式[{CuMX(Y)}(L)]で表され、式中、MはCu、Ag又はNiであり、Xはハロゲン原子であり、Yはリン原子を有する配位子であり、Lは窒素原子を有する配位子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の二酸化炭素還元触媒。 The metal complex is represented by the general formula [{CuMX 2 (Y) 2 } (L)] n , where M is Cu, Ag or Ni, X is a halogen atom, and Y is a phosphorus atom. 3. The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 1, wherein L is a ligand having a nitrogen atom. 前記一般式中のXはCl、Br及びIから選択されることを特徴とする請求項3に記載の二酸化炭素還元触媒。 4. The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 3, wherein X in the general formula is selected from Cl, Br, and I. 前記一般式中のYはトリフェニルホスフィンであることを特徴とする請求項3又は4に記載の二酸化炭素還元触媒。 The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 3 or 4, wherein Y in the general formula is triphenylphosphine. 前記一般式中のLはビピリジン誘導体であることを特徴とする請求項3~5のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元触媒。 The carbon dioxide reduction catalyst according to any one of claims 3 to 5, wherein L in the general formula is a bipyridine derivative. 前記金属錯体は、一般式CuMX(Y)で表され、式中、Mは、Cu、Ag又はNiであり、Xはハロゲン原子であり、Yはリン原子を有する配位子であり、Lはピリジン環を有する配位子であることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素還元触媒。 The metal complex is represented by the general formula CuMX 2 (Y) 2 L 2 , where M is Cu, Ag or Ni, X is a halogen atom, and Y is a ligand having a phosphorus atom. 2. The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 1, wherein L is a ligand having a pyridine ring. 前記一般式中のXはCl、Br及びIから選択されることを特徴とする請求項7に記載の二酸化炭素還元触媒。 The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 7, wherein X in the general formula is selected from Cl, Br, and I. 前記一般式中のYはトリフェニルホスフィンであることを特徴とする請求項7又は8に記載の二酸化炭素還元触媒。 The carbon dioxide reduction catalyst according to claim 7 or 8, wherein Y in the general formula is triphenylphosphine. 前記一般式中のLは4-フェニルピリジンであることを特徴とする請求項7~9のいずれか1項に記載の二酸化炭素還元触媒。 The carbon dioxide reduction catalyst according to any one of claims 7 to 9, wherein L in the general formula is 4-phenylpyridine.
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