WO2023084683A1 - 電解質膜 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to electrolyte membranes.
- Non-Patent Document 1 discloses a device for reducing carbon dioxide by light irradiation.
- the oxidation electrode When the oxidation electrode is irradiated with light, electron-hole pairs are generated and separated at the oxidation electrode, and oxygen and protons (H + ) are generated by the oxidation reaction of water in the electrolyte. Protons pass through the electrolyte membrane to reach the reduction bath, and electrons flow through the lead to the reduction electrode.
- a reduction electrode in the solution causes a reduction reaction of carbon dioxide with protons, electrons, and carbon dioxide dissolved in the solution. This reduction reaction produces carbon monoxide, formic acid, methane, and the like that can be used as energy resources.
- carbon dioxide is supplied to the reduction electrode by immersing the reduction electrode in a solution and dissolving carbon dioxide in the solution.
- this carbon dioxide reduction method since the reduction electrode is immersed in the solution, there are limits to the dissolved concentration of carbon dioxide in the solution and the diffusion coefficient of carbon dioxide in the solution. limited supply of
- Non-Patent Document 2 by using a reduction tank having a structure in which gaseous carbon dioxide is directly supplied to the reduction electrode, the amount of carbon dioxide supplied to the reduction electrode is increased, and the reduction reaction of carbon dioxide is promoted. ing.
- the electrolyte membrane swells with the passage of time, and the electrolyte in the oxidation tank expands the electrolyte membrane. It passes through and gradually seeps into the reducing tank. As a result, the reaction surface (reaction site) of the reduction electrode is coated with the electrolytic solution, and the reduction reaction of carbon dioxide does not proceed. Therefore, the conventional carbon dioxide reducing apparatus has a problem that the efficiency of the carbon dioxide reduction reaction decreases after several tens of hours.
- 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 improving the efficiency of the carbon dioxide reduction reaction.
- the electrolyte membrane of one embodiment of the present invention is disposed between an electrolytic solution in an oxidation tank and a reduction electrode in a reduction tank in contact with each other, and brings carbon dioxide into direct contact with the reduction electrode to reduce carbon dioxide.
- fibers are woven in a mesh pattern.
- the reduction reaction efficiency of carbon dioxide can be improved.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a carbon dioxide reduction device according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing an example of forming fibers.
- FIG. 3 shows an example of a fiber;
- FIG. 4 is a diagram showing measurement results of Faradaic efficiency of formic acid according to the first embodiment.
- FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a carbon dioxide reduction device according to the second embodiment.
- FIG. 6 is a diagram showing measurement results of the faradaic efficiency of formic acid according to the second embodiment.
- FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a carbon dioxide reduction device 100 according to the first embodiment.
- the carbon dioxide reduction device 100 includes an oxidation electrode 1, an oxidation tank 2, an electrolytic solution 3, a reduction electrode 4, a reduction tank 5, an electrolyte membrane 6, a conducting wire 7, and a light source 8. and fibers 9.
- the oxidation electrode 1 is immersed in the electrolytic solution 3 in the oxidation bath 2 .
- the oxidation electrode 1 is formed by forming a semiconductor on a substrate having a predetermined area.
- the oxidation electrode 1 is formed, for example, by forming a film of a compound exhibiting photoactivity or redox activity, such as a nitride semiconductor, titanium oxide, amorphous silicon, ruthenium complex, or rhenium complex, on the surface of a sapphire substrate.
- the oxidation tank 2 holds an electrolytic solution 3 in which the oxidation electrode 1 is immersed.
- the electrolytic solution 3 is placed in the oxidation tank 2.
- the electrolytic solution 3 is, for example, an aqueous potassium hydrogen carbonate solution, an aqueous sodium hydrogen carbonate solution, an aqueous potassium chloride solution, an aqueous sodium chloride solution, an aqueous potassium hydroxide solution, an aqueous rubidium hydroxide solution, or an aqueous cesium hydroxide solution.
- the reduction electrode 4 is arranged inside the reduction tank 5 . Similar to the oxidation electrode 1, the reduction electrode 4 is formed on a substrate having a predetermined area.
- the reduction electrode 4 is, for example, a porous body of copper, platinum, gold, silver, indium, palladium, gallium, nickel, tin, cadmium, or alloys thereof.
- the reduction electrode 4 is composed of compounds such as silver oxide, copper oxide, copper (II) oxide, nickel oxide, indium oxide, tin oxide, tungsten oxide, tungsten (VI) oxide, copper oxide, metal ions and anionic coordination. It may be a porous metal complex having an element.
- the reduction tank 5 has a reduction electrode 4 inside and holds gaseous carbon dioxide supplied from the outside through a pipe.
- the electrolyte membrane 6 is arranged between the oxidation tank 2 and the reduction tank 5 . More precisely, the electrolyte membrane 6 is arranged between the electrolyte 3 and the reduction electrode 4 in contact with each other.
- the electrolyte membrane 6 is, for example, Nafion (registered trademark), Phorblue, or Aquibion, which are electrolyte membranes having a carbon-fluorine skeleton, or Selemion or Neosepta, which are electrolyte membranes having a hydrocarbon-based skeleton.
- the conducting wire 7 physically and electrically connects the oxidation electrode 1 and the reduction electrode 4 .
- the light source 8 is arranged close to the oxidation tank 2 .
- the light source 8 is, for example, sunlight, a xenon lamp, a pseudo-sunlight light source, a halogen lamp, a mercury lamp, or a light source combining these.
- the reduction electrode 4 and the electrolyte membrane 6 may be configured using a single material.
- it can be realized using a gas diffusion electrode (GDE®) composed of a porous material and a catalyst. Since the gas diffusion electrode can separate liquid and gas, and cations can move within the electrode, it has the same function as both of the reduction electrode 4 and the electrolyte membrane 6 .
- GDE® gas diffusion electrode
- the reduction electrode 4 and the electrolyte membrane 6 are each drawn so as to have a large width in the horizontal direction of the paper, but the width in the horizontal direction of the paper is reduced and the plane is formed in the depth direction of the paper. It may be in the shape of a thin plate that is flattened.
- the electrolyte 3 and the semiconductor oxidation electrode 1 immersed in the electrolyte 3 are used to emit light (light energy) from the light source 8 .
- An oxidation reaction of water takes place.
- the reduction reaction of carbon dioxide is carried out using the reduction electrode 4 connected to the oxidation electrode 1 via the lead wire 7 and the carbon dioxide brought into direct contact with the reduction electrode 4 .
- a carbon dioxide reduction reaction is induced by protons, electrons, and gaseous carbon dioxide that is in direct contact with the reduction electrode 4 .
- This oxidation-reduction reaction produces carbon monoxide, formic acid, methane, and the like that can be used as energy resources.
- the electrolyte membrane 6 swells, and the electrolytic solution 3 flows into the pores of the electrolyte membrane 6. and oozes out onto the surface of the reduction electrode 4 in the reduction tank 5 .
- the fibers 51 may be woven into the electrolyte membrane 6 so as to prevent the electrolyte membrane 6 from swelling.
- the fibers 9 are woven into the electrolyte membrane 6 in a mesh pattern.
- the fibers 9 are woven into the electrolyte membrane 6 so as to form a network of regular triangles, squares, and regular hexagons when viewed from the side of the page of FIG.
- the fibers 9 are preferably woven into the electrolyte membrane 6 so as to form a regular hexagonal mesh structure (regular hexagonal mesh structure, honeycomb structure).
- the polymer material of the fibers 9 may be made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene chloride (PVdC), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), or polyethylene, which does not swell even in an acid or alkaline solution.
- PTFE polytetrafluoroethylene
- PVdC polyvinylidene chloride
- ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
- PE polypropylene
- PP polypropylene
- GaN gallium nitride
- AlGaN aluminum gallium nitride
- a promoter thin film of nickel oxide (NiO) was formed. The promoter thin film was used as the oxidation electrode 1 , and the oxidation electrode 1 was immersed in the electrolytic solution 3 of 1.0 mol/L potassium hydroxide aqueous solution in the oxidation tank 2 .
- a reduction electrode 4 was formed using a copper porous body, the reduction electrode 4 was connected to the oxidation electrode 1 with a lead wire 7 , and the reduction electrode 4 was installed in the reduction tank 5 .
- Nafion was used for the electrolyte membrane 6 that physically separates the oxidation tank 2 and the reduction tank 5 .
- PTFE fibers 9 having the fiber length and fiber diameter shown in FIG. 3 were used.
- Example 1 Nafion having PTFE fibers with a regular hexagonal network structure was used.
- Example 2 used Nafion having square network PTFE fibers.
- Example 3 Nafion having PTFE fibers with an equilateral triangular network structure was used.
- Nafion without PTFE fibers was used as the electrolyte membrane 6 as it was.
- a 300 W xenon lamp was used as the light source 8 . Wavelengths of 450 nm or more were cut with a filter, and the illuminance was set to 6.6 mW/cm 2 . The irradiation surface of the oxidation electrode 1 was set to 2.5 cm 2 .
- nitrogen and carbon dioxide were supplied to the oxidation tank 2 and the reduction tank 5 at a flow rate of 5 ml/min and a pressure of 0.5 MPa, respectively. Nitrogen was bubbled into the oxidation tank 2 for the purpose of analyzing reaction products. The insides of the oxidation tank 2 and the reduction tank 5 were sufficiently replaced with nitrogen and carbon dioxide, respectively, and light was irradiated from the light source 8 . After that, the reduction reaction of carbon dioxide progressed on the surface of the copper porous body, which was the reduction electrode 4 .
- the current flowing between the oxidation electrode 1 and the reduction electrode 4 due to the irradiated light was measured with an electrochemical measurement device (1287 type potentiogalvanostat manufactured by Solartron). Further, gas and liquid generated in the oxidation tank 2 and the reduction tank 5 were sampled, and reaction products were analyzed using a gas chromatograph, a liquid chromatograph, and a gas chromatograph-mass spectrometer.
- the effect of the fibers 9 woven into the electrolyte membrane 6 was examined by obtaining the Faradaic efficiency of the carbon dioxide reduction reaction.
- a method for calculating the Faraday efficiency of the carbon dioxide reduction reaction will be described later.
- FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of the Faraday efficiency of formic acid according to the first embodiment.
- the Faradaic efficiency decreased after 6 hours.
- the Faraday efficiency did not decrease even after 6 hours. This is because, as a result of introducing PTFE fibers into the Nafion membrane, swelling of the Nafion membrane is suppressed, leakage of the electrolytic solution 3 to the reduction electrode 4 is suppressed, and the reaction site of the reduction electrode 4 is no longer filled with the electrolytic solution 3. is.
- comparative example, example 1, example 2, and example 3 are in descending order of faradaic efficiency. This is because the PTFE fiber inhibits the movement of protons, and it can be understood that the order of the introduced amount of the PTFE fiber and the order of the Faradaic efficiency match each other as described above.
- the Faraday efficiency of carbon dioxide indicates the ratio of the number of electrons used in the carbon dioxide reduction reaction to the number of electrons transferred between the oxidation electrode 1 and the reduction electrode 4 by light irradiation or current/voltage application. , can be calculated by equation (1).
- Faraday efficiency ⁇ number of electrons in reduction reaction ⁇ / ⁇ number of electrons transferred between electrodes ⁇ (1)
- the "number of electrons in the reduction reaction" in formula (1) is obtained by converting the measured value of the integrated production amount of the reduction product of carbon dioxide into the number of electrons necessary for the production reaction.
- the "number of electrons in the reduction reaction" when the reduction product is gas can be calculated by Equation (2).
- A is the concentration (ppm) of the reduction reaction product.
- B is the flow rate (L/sec) of the carrier gas.
- Z is the number of electrons required for the reduction reaction.
- F is the Faraday constant (C/mol).
- T is the light irradiation time or the current/voltage application time (sec).
- V g is the molar volume of gas (L/mol).
- C is the concentration (mol/L) of the reduction reaction product.
- V l is the volume (L) of the liquid sample.
- Z is the number of electrons required for the reduction reaction.
- F is the Faraday constant (C/mol).
- the first embodiment has been described above. According to the carbon dioxide reduction device 100 according to the first embodiment, it is possible to provide the carbon dioxide reduction device 100 that allows the carbon dioxide reduction reaction to proceed without reducing the Faraday efficiency.
- the oxidation tank 2 performs the oxidation reaction of water by the irradiation light from the light source 8 using the electrolytic solution 3 and the semiconductor oxidation electrode 1 immersed in the electrolytic solution 3, and the oxidation electrode 1 is provided with a lead wire.
- the fibers 9 are woven into the interior of the electrolyte membrane 6 in a mesh pattern.
- FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the carbon dioxide reduction device 100 according to the second embodiment.
- the oxidation electrode 1 is platinum.
- the oxidation electrode 1 may be gold or silver, for example.
- An external power supply 10 is an electrochemical measurement device, and is connected in series to the conductor 7 connecting the oxidation electrode 1 and the reduction electrode 4 .
- Power supply 10 may be any other power supply.
- Other components are the same as in the first embodiment.
- the current and voltage (electrical energy) from the power source 10 are generated using the electrolytic solution 3 and the platinum (metal) oxidation electrode 1 immersed in the electrolytic solution 3. Oxidation reaction of the water in the electrolytic solution 3 is performed by .
- a reduction reaction of carbon dioxide is carried out using the reduction electrode 4 connected to the power source 10 (source of electrical energy) and the carbon dioxide brought into direct contact with the reduction electrode 4 .
- the fibers 9 are woven into the electrolyte membrane 6 in a mesh pattern.
- the fibers 9 are woven inside the electrolyte membrane 6 so as to form equilateral triangles, squares, and regular hexagons.
- FIG. 6 is a diagram showing the measurement results of the Faraday efficiency of formic acid according to the second embodiment.
- Examples 4 to 6 are examples using the same electrolyte membrane 6 as those of Examples 1 to 3 described in the first embodiment.
- a comparative example in which Nafion, which is not woven with fibers 9, is used as it is as the electrolyte membrane 6 is also described.
- the second embodiment has been described above. According to the carbon dioxide reduction device 100 according to the second embodiment, it is possible to provide the carbon dioxide reduction device 100 that allows the carbon dioxide reduction reaction to proceed without reducing the Faraday efficiency.
- an oxidation tank 2 that performs an oxidation reaction of water by current and voltage from a power supply 10 using an electrolytic solution 3 and a platinum (metal) oxidation electrode 1 immersed in the electrolytic solution 3, and a power supply 10 a reduction tank 5 for performing a reduction reaction of carbon dioxide using a reduction electrode 4 connected to the reduction electrode 4 and carbon dioxide brought into direct contact with the reduction electrode 4; an electrolytic solution 3 in the oxidation tank 2;
- the carbon dioxide reduction device 100 including the electrolyte membranes 6 arranged in contact with each other between and, the fibers 9 are woven into the interior of the electrolyte membranes 6 in a mesh shape.
- the present invention can be widely used in fields related to carbon dioxide recycling. Although light energy is used in the first embodiment and electrical energy is used in the second embodiment, other renewable energy may be used. It is also possible to combine the first embodiment and the second embodiment.
- the electrolytic solution 3 in the oxidation tank 2 and the reduction electrode 4 in the reduction tank 5 are arranged in contact with each other, and carbon dioxide is brought into direct contact with the reduction electrode 4 to cause a reduction reaction of carbon dioxide.
- Any electrolyte membrane can be applied as long as it is the electrolyte membrane 6 used in the carbon dioxide reduction apparatus 100 that performs the above.
- Oxidation electrode 2 Oxidation tank 3: Electrolyte 4: Reduction electrode 5: Reduction tank 6: Electrolyte membrane 7: Lead wire 8: Light source 9: Fiber 10: Power supply 100: Carbon dioxide reduction device
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Abstract
酸化槽2内の電解液3と還元槽5内の還元電極4との間にそれぞれに接触して配置され、前記還元電極4に二酸化炭素を直接接触させて二酸化炭素の還元反応を行う二酸化炭素還元装置100に用いられる電解質膜6において、内部に繊維9が網目状に織り込まれている。
Description
本発明は、電解質膜に関する。
地球温暖化の主因として大気中の二酸化炭素濃度の増加が挙げられている。二酸化炭素の排出量の削減は、世界的規模で長期的な課題になっている。一方、エネルギー問題として中長期的に、化石燃料に頼ったエネルギー供給の見直しが迫られ、次世代のエネルギー供給源の創出が求められている。
二酸化炭素の排出を抑制してエネルギーを得る手段としては、排熱、雪氷熱、振動、電磁波等の未使用エネルギーや太陽光等の再生可能エネルギーを活用する技術開発が進められている。これらの発電技術は、電気エネルギーを創出するに留まり、エネルギーを貯蓄できない。また、化石燃料を原料とした化学製品を創ることもできない。
これらの課題を同時に解決する方法として、光エネルギーを用いて二酸化炭素を還元する技術が注目されている。例えば、非特許文献1は、光照射による二酸化炭素の還元装置を開示している。酸化槽では、酸化電極に光が照射されると、その酸化電極で電子・正孔対の生成及び分離が生じ、電解液内の水の酸化反応により酸素及びプロトン(H+)が生成する。プロトンは電解質膜を通過して還元槽に到達し、電子は導線を介して還元電極に流れる。還元槽では、溶液内の還元電極で、プロトンと電子と溶液に溶解した二酸化炭素とによる二酸化炭素の還元反応が引き起こされる。この還元反応により、エネルギー資源として利用できる一酸化炭素、ギ酸、及びメタン等が生成される。
非特許文献1の二酸化炭素還元装置では、還元電極を溶液に浸漬させ、二酸化炭素を当該溶液中に溶解することで、二酸化炭素を還元電極へ供給していた。しかしながら、この二酸化炭素の還元方法では、還元電極が溶液に浸漬しているため、溶液での二酸化炭素の溶解濃度や溶液中での二酸化炭素の拡散係数に限界があり、二酸化炭素の還元電極への供給量が制限される。
そこで、二酸化炭素の還元電極への供給量を増加させるため、還元槽内の溶液を排除し、二酸化炭素を還元電極へ直接供給する研究が進められている。非特許文献2では、還元電極に対して気相の二酸化炭素を直接供給する構造の還元槽を用いることで、二酸化炭素の還元電極への供給量を増大させ、二酸化炭素の還元反応を促進させている。
Satoshi Yotsuhashi、外6名、"CO2 Conversion with Light and Water by GaN Photo electroade"、Japanese Journal of Applied Physics、51、2012、p.02BP07-1-p.02BP07-3
Qingxin Jia、外2名、"Direct Gas-phase CO2 reduction for Solar Methane Generation Using a Gas Diffusion Electrode with a BiVO4:Mo and a Cu-In-e Photoanode"、Chem .Lett.、47、2018年1月13日、p.436-p.439
しかしながら、酸化槽内の電解液に酸又はアルカリ溶液を用い、電解質膜にナフィオン膜(登録商標)を用いると、時間経過に伴い、電解質膜が膨潤し、酸化槽内の電解液が電解質膜を通過して還元槽に徐々に滲出する。そのため、電解液で還元電極の反応表面(反応サイト)が被覆されてしまい、二酸化炭素の還元反応が進行しなくなる。それゆえ、従来の二酸化炭素還元装置は、数十時間で二酸化炭素の還元反応効率が低下するという課題があった。
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、二酸化炭素の還元反応効率を改善可能な技術を提供することである。
本発明の一態様の電解質膜は、酸化槽内の電解液と還元槽内の還元電極との間にそれぞれに接触して配置され、前記還元電極に二酸化炭素を直接接触させて二酸化炭素の還元反応を行う二酸化炭素還元装置に用いられる電解質膜において、内部に繊維が網目状に織り込まれている。
本発明によれば、二酸化炭素の還元反応効率を改善できる。
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。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る二酸化炭素還元装置100の構成例を示す図である。二酸化炭素還元装置100は、図1に示すように、酸化電極1と、酸化槽2と、電解液3と、還元電極4と、還元槽5と、電解質膜6と、導線7と、光源8と、繊維9と、を備える。
図1は、第1実施形態に係る二酸化炭素還元装置100の構成例を示す図である。二酸化炭素還元装置100は、図1に示すように、酸化電極1と、酸化槽2と、電解液3と、還元電極4と、還元槽5と、電解質膜6と、導線7と、光源8と、繊維9と、を備える。
酸化電極1は、酸化槽2内の電解液3に浸漬されている。酸化電極1は、所定の面積を持つ基板上に半導体を形成することで形成される。酸化電極1は、例えば、サファイア基板の表面上に、窒化物半導体、酸化チタン、アモルファスシリコン、ルテニウム錯体やレニウム錯体等の光活性やレドックス活性を示す化合物を成膜することにより、形成される。
酸化槽2は、酸化電極1が浸漬される電解液3を保持する。
電解液3は、酸化槽2内に入れられている。電解液3は、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ルビジウム水溶液、水酸化セシウム水溶液である。
還元電極4は、還元槽5内に配置されている。還元電極4は、酸化電極1と同様に所定の面積を持つ基板上に形成される。還元電極4は、例えば、銅、白金、金、銀、インジウム、パラジウム、ガリウム、ニッケル、錫、カドミウム、それらの合金の多孔質体である。その他、還元電極4は、酸化銀、酸化銅、酸化銅(II)、酸化ニッケル、酸化インジム、酸化錫、酸化タングステン、酸化タングステン(VI)、酸化銅等の化合物、金属イオンとアニオン性配位子を有する多孔質金属錯体でもよい。
還元槽5は、還元電極4を内部に配置し、配管を介して外部から供給される気相の二酸化炭素を保持する。
電解質膜6は、酸化槽2と還元槽5との間に配置されている。正確には、電解質膜6は、電解液3と還元電極4との間にそれぞれに接触して配置されている。電解質膜6は、例えば、炭素-フッ素から成る骨格を持つ電解質膜であるナフィオン(登録商標)、フォアブルー、アクイビオン、炭素水素系骨格を持つ電解質膜であるセレミオン、ネオセプタである。
導線7は、酸化電極1と還元電極4とを物理的電気的に接続する。
光源8は、酸化槽2に近接配置されている。光源8は、例えば、太陽光、キセノンランプ、疑似太陽光源、ハロゲンランプ、水銀ランプ、これらを組み合わせた光源である。
なお、還元電極4及び電解質膜6は、一体の材料を用いて構成してもよい。例えば、多孔性機材と触媒とで構成されたガス拡散電極(GDE(登録商標))を用いて実現可能である。ガス拡散電極は、液体と気体とを分離でき、電極内をカチオンが移動できるので、還元電極4と電解質膜6との両方の作用と同等の作用を有する。
また、図1では、還元電極4及び電解質膜6を、それぞれ、紙面の横方向で大きく幅を持つように描画したが、紙面の横方向の幅を薄くし、紙面の奥行方向に平面を持たせた薄い板状の形状にしてもよい。還元電極4と電解質膜6とを互いの平面で貼り合わせることで、その接触面の反応場を最大化できる。
上記の二酸化炭素還元装置100において、酸化槽2では、電解液3と電解液3に浸漬させた半導体の酸化電極1とを用いて光源8からの照射光(光エネルギー)により電解液3内の水の酸化反応が行われる。還元槽5では、酸化電極1に導線7を介して接続された還元電極4と還元電極4に直接接触させた二酸化炭素とを用いて二酸化炭素の還元反応が行われる。
具体的には、光源8が酸化槽2の底から光を照射すると、その照射光を受光した酸化槽2内の酸化電極1で電子・正孔対の生成及び分離が生じ、電解液3内の水の酸化反応により酸素及びプロトンが生成する。プロトンは、電解質膜6を通過して酸化槽2内の電解液3から還元槽5内の還元電極4に到達する。電子は、導線7を介して酸化槽2内の酸化電極1から還元槽5内の還元電極4に流れる。還元槽5では、還元電極4において、プロトンと電子と還元電極4に直接接触された気相の二酸化炭素とによる二酸化炭素の還元反応が引き起こされる。この酸化還元反応により、エネルギー資源として利用できる一酸化炭素、ギ酸、及びメタン等が生成される。
このとき、酸化槽2内の電解液3として強アルカリ水溶液、例えば1.0mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合、電解質膜6が膨潤し、電解液3が当該電解質膜6の細孔を通過して還元槽5内の還元電極4の表面に滲出する。このような電解液3の電解質膜6からの滲出を防ぐためには、電解質膜6の膨潤を防ぐように電解質膜6に繊維51を織り込めばよい。
そこで、本実施形態では、電解質膜6の内部に繊維9を網目状に織り込む。例えば、図2に示すように、図1の紙面の横側から見て正三角形、正方形、正六角形の網目状になるように繊維9を電解質膜6に織り込む。このとき、できるだけ少ない繊維で強度を保つことがより好ましい。つまり、できる限り短い辺の長さで面積を埋めることが好ましい。
例えば、正三角形、正方形、正六角形のそれぞれ辺の長さをxcm、充填すべき面積をAcm2とした場合、正三角形の辺の長さは、√(4A/√(3))×3となり、正方形の辺の長さは、√(A)×4となり、正六角形の辺の長さは、√(2A/3√(3))×6となるので、正三角形、正方形、正六角形の順に必要な辺の長さは短くなることがわかる。それゆえ、繊維9は、正六角形の網目状の構造(正六角形の網目構造、ハニカム構造)になるように、電解質膜6に織り込まれることが望ましい。
なお、繊維9の高分子材料には、酸内やアルカリ溶液内においても膨潤しない、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ塩化ビニリデン(PVdC)、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)が好ましい。
このように、電解質膜6の内部に繊維9を網目状に織り込んだことで、酸化槽2内の電解液3が電解質膜6の内部に侵入することを抑制でき、電解液3の還元電極4への液漏れを抑制でき、還元電極4の反応サイトが電解液3で埋まらなくなる。また、プロトンが電解質膜6を通過可能な状態を維持できる。その結果、二酸化炭素の還元反応を進行でき、その還元反応効率の低下を抑制できる。
次に、上記の二酸化炭素還元装置100による電気化学測定及びその測定結果を説明する。
まず、サファイア基板上にn型半導体である窒化ガリウム(GaN)の薄膜と窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)とをそ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した。そして、その助触媒薄膜を酸化電極1とし、その酸化電極1を酸化槽2内の1.0mol/Lの水酸化カリウム水溶液の電解液3に浸漬させた。
また、銅の多孔体を用いて還元電極4を形成し、その還元電極4を導線7で酸化電極1に接続し、その還元電極4を還元槽5内に設置した。
また、酸化槽2と還元槽5と物理的に分離する電解質膜6には、ナフィオンを用いた。ナフィオンには、図3に示す繊維長及び繊維径を有するPTFEの繊維9を用いた。実施例1は、正六角形の網目構造のPTFE繊維を有するナフィオンを用いた。実施例2は、正方形の網目構造のPTFE繊維を有するナフィオンを用いた。実施例3は、正三角形の網目構造のPTFE繊維を有するナフィオンを用いた。比較例は、PTFE繊維を導入していないナフィオンをそのまま電解質膜6として用いた。
また、光源8には、300Wのキセノンランプを用いた。450nm以上の波長をフィルターでカットし、照度を6.6mW/cm2とした。酸化電極1の照射面を2.5cm2とした。
そして、酸化槽2と還元槽5とに窒素と二酸化炭素とをそれぞれ流量5ml/min、かつ、圧力0.5MPaで供給した。酸化槽2への窒素のバブリングは、反応生成物を分析する目的で行った。酸化槽2と還元槽5との各内部をそれぞれ窒素と二酸化炭素とで十分に置換し、光源8から光を照射した。その後、還元電極4である銅多孔体の表面で二酸化炭素の還元反応が進行した。
このとき、照射光により酸化電極1と還元電極4との間に流れる電流を電気化学測定装置(Solartron社製、1287型ポテンショガルバノスタット)で測定した。また、酸化槽2と還元槽5とで生じるガスと液体を採取し、ガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ、ガスクロマトグラフ質量分析計を用いて反応生成物を分析した。
特に、本実施形態では、二酸化炭素還元反応のファラデー効率を求めることで、電解質膜6に織り込んだ繊維9の効果を検討した。なお、二酸化炭素還元反応のファラデー効率の計算方法は、後述する。
図4は、第1実施形態に係るギ酸のファラデー効率の測定結果を示す図である。繊維9を織り込んでいない比較例では、ファラデー効率が6時間以降減少した。一方、繊維9を織り込んだ実施例1~実施例3では、6時間以降でもファラデー効率は減少しなかった。これは、ナフィオン膜にPTFE繊維を導入した結果、ナフィオン膜の膨潤が抑制され、電解液3の還元電極4への液漏れが抑制され、還元電極4の反応サイトが電解液3で埋まらなくなったためである。
また、反応初期である1時間後のファラデー効率を比較すると、ファラデー効率の高い順に、比較例、実施例1、実施例2、実施例3となっている。これは、PTFE繊維がプロトンの移動を阻害しているからであり、先述したようにPTFE繊維の導入量の序列とファラデー効率の序列とが互いに一致していることを理解できる。
ここで、二酸化炭素還元反応のファラデー効率の計算方法を説明する。二酸化炭素のファラデー効率は、光照射や電流電圧印加によって酸化電極1と還元電極4との間を移動した電子数に対して、二酸化炭素還元反応に使われた電子数の割合を示すものであり、式(1)で計算できる。
ファラデー効率={還元反応の電子数}/{電極間を移動した電子数}・・・(1)
式(1)の「還元反応の電子数」は、二酸化炭素の還元生成物の積算生成量の測定値を、その生成反応に必要な電子数に換算することで求める。例えば、還元生成物が気体の場合の「還元反応の電子数」は、式(2)で計算できる。
式(1)の「還元反応の電子数」は、二酸化炭素の還元生成物の積算生成量の測定値を、その生成反応に必要な電子数に換算することで求める。例えば、還元生成物が気体の場合の「還元反応の電子数」は、式(2)で計算できる。
各還元反応の電子数(C)={(A×B×Z×F×T×10-6)}/Vg・・・(2)
Aは、還元反応生成物の濃度(ppm)である。Bは、キャリアガスの流量(L/sec)である。Zは、還元反応に必要な電子数である。Fは、ファラデー定数(C/mol)である。Tは、光照射時間又は電流電圧印加時間を(sec)である。Vgは、気体のモル体積(L/mol)である。
Aは、還元反応生成物の濃度(ppm)である。Bは、キャリアガスの流量(L/sec)である。Zは、還元反応に必要な電子数である。Fは、ファラデー定数(C/mol)である。Tは、光照射時間又は電流電圧印加時間を(sec)である。Vgは、気体のモル体積(L/mol)である。
還元生成物が液体の場合の「還元反応の電子数」は、式(3)で計算できる。
各還元反応の電子数(C)=C×Vl×Z×F・・・(3)
Cは、還元反応生成物の濃度(mol/L)である。Vlは、液体サンプルの体積(L)である。Zは、還元反応に必要な電子数である。Fは、ファラデー定数(C/mol)である。
Cは、還元反応生成物の濃度(mol/L)である。Vlは、液体サンプルの体積(L)である。Zは、還元反応に必要な電子数である。Fは、ファラデー定数(C/mol)である。
以上、第1実施形態を説明した。第1実施形態に係る二酸化炭素還元装置100によれば、ファラデー効率を落とすことなく、二酸化炭素還元反応を進行させられる二酸化炭素還元装置100を提供できる。
すなわち、第1実施形態では、電解液3と電解液3に浸漬させる半導体の酸化電極1とを用いて光源8からの照射光により水の酸化反応を行う酸化槽2と、酸化電極1に導線7を介して接続される還元電極4と還元電極4に直接接触させる二酸化炭素とを用いて二酸化炭素の還元反応を行う還元槽5と、酸化槽2内の電解液3と還元槽5内の還元電極4との間にそれぞれに接触して配置される電解質膜6と、を備えた二酸化炭素還元装置100において、電解質膜6の内部に繊維9が網目状に織り込まれている。
そのため、酸化槽2内の電解液3が電解質膜6の内部に侵入することを抑制でき、電解液3の還元電極4への液漏れを抑制でき、還元電極4の反応サイトが電解液3で埋まらなくなる。また、プロトンが電解質膜6を通過する状態を維持できる。その結果、二酸化炭素の還元反応を進行でき、その還元反応効率の低下を抑制できる。
なお、上記の実験では、酸化電極1に対する光の照射量を定量的に管理するために光をキセノンランプで生じさせたが、太陽光等を用いて酸化反応を起こすことも可能である。
[第2実施形態]
第1実施形態では、光源8と半導体で構成される酸化電極1とを用いる場合を説明した。第2実施形態では、それらに代えて、外部電源及び金属で構成される酸化電極1を用いて酸化・還元反応を進行させる。
第1実施形態では、光源8と半導体で構成される酸化電極1とを用いる場合を説明した。第2実施形態では、それらに代えて、外部電源及び金属で構成される酸化電極1を用いて酸化・還元反応を進行させる。
図5は、第2実施形態に係る二酸化炭素還元装置100の構成例を示す図である。酸化電極1は、白金である。その他、酸化電極1は、例えば、金、銀でもよい。外部の電源10は、電気化学測定装置であり、酸化電極1と還元電極4とを接続している導線7に直列接続される。電源10は、その他の電源装置でもよい。その他の構成要素は、第1実施形態と同一である。
本実施形態に係る二酸化炭素還元装置100において、酸化槽2では、電解液3と電解液3に浸漬させた白金(金属)の酸化電極1とを用いて電源10からの電流電圧(電機エネルギー)により電解液3内の水の酸化反応が行われる。還元槽5では、電源10(電気エネルギーの源)に接続された還元電極4と還元電極4に直接接触させた二酸化炭素とを用いて二酸化炭素の還元反応が行われる。
具体的には、電源10が電流電圧を導線7に印加すると、酸化槽2内の酸化電極1で電子・正孔対の生成及び分離が生じ、電解液3内の水の酸化反応により酸素及びプロトンが生成する。プロトンは、電解質膜6を通過して酸化槽2内の電解液3から還元槽5内の還元電極4に到達する。電子は、導線7を介して電源10から還元槽5内の還元電極4に流れる。還元槽5では、還元電極4において、プロトンと電子と還元電極4に直接接触した気相の二酸化炭素とによる二酸化炭素の還元反応が引き起こされる。
第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、電解質膜6の内部に繊維9を網目状に織り込む。例えば、正三角形、正方形、正六角形の形状になるように繊維9を電解質膜6の内部に織り込む。
図6は、第2実施形態に係るギ酸のファラデー効率の測定結果を示す図である。第1実施形態で説明した実施例1~実施例3のそれぞれと同一の電解質膜6を用いたそれぞれの実施例を実施例4~実施例6としている。繊維9を織り込んでいないナフィオンをそのまま電解質膜6として用いた比較例も記載している。
実施例4~実施例6では、6時間経過以降でもファラデー効率が減少しなかった。これは、ナフィオン膜にPTFE繊維を導入した結果、ナフィオン膜の膨潤が抑制され、電解液3の還元電極4への液漏れが抑制され、還元電極4の反応サイトが電解液3で埋まらなくなったためである。
以上、第2実施形態を説明した。第2実施形態に係る二酸化炭素還元装置100によれば、ファラデー効率を落とすことなく、二酸化炭素還元反応を進行させられる二酸化炭素還元装置100を提供できる。
すなわち、第2実施形態では、電解液3と電解液3に浸漬させる白金(金属)の酸化電極1とを用いて電源10からの電流電圧により水の酸化反応を行う酸化槽2と、電源10に接続される還元電極4と還元電極4に直接接触させる二酸化炭素とを用いて二酸化炭素の還元反応を行う還元槽5と、酸化槽2内の電解液3と還元槽5内の還元電極4との間にそれぞれに接触して配置される電解質膜6と、を備えた二酸化炭素還元装置100において、電解質膜6の内部に繊維9が網目状に織り込まれている。
そのため、酸化槽2内の電解液3が電解質膜6の内部に侵入することを抑制でき、電解液3の還元電極4への液漏れを抑制でき、還元電極4の反応サイトが電解液3で埋まらなくなる。また、プロトンが電解質膜6を通過する状態を維持できる。その結果、二酸化炭素の還元反応を進行でき、その還元反応効率の低下を抑制できる。
[その他]
本発明は、二酸化炭素の再資源化に関する分野に広く利用できる。第1実施形態では光エネルギーを用い、第2実施形態では電気エネルギーを用いたが、その他の再生可能エネルギーを用いてもよい。また、第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせることも可能である。
本発明は、二酸化炭素の再資源化に関する分野に広く利用できる。第1実施形態では光エネルギーを用い、第2実施形態では電気エネルギーを用いたが、その他の再生可能エネルギーを用いてもよい。また、第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせることも可能である。
本発明は、酸化槽2内の電解液3と還元槽5内の還元電極4との間にそれぞれに接触して配置され、還元電極4に二酸化炭素を直接接触させて二酸化炭素の還元反応を行う二酸化炭素還元装置100に用いられる電解質膜6であれば、任意の電解質膜にも適用可能である。
1:酸化電極
2:酸化槽
3:電解液
4:還元電極
5:還元槽
6:電解質膜
7:導線
8:光源
9:繊維
10:電源
100:二酸化炭素還元装置
2:酸化槽
3:電解液
4:還元電極
5:還元槽
6:電解質膜
7:導線
8:光源
9:繊維
10:電源
100:二酸化炭素還元装置
Claims (4)
- 酸化槽内の電解液と還元槽内の還元電極との間にそれぞれに接触して配置され、前記還元電極に二酸化炭素を直接接触させて二酸化炭素の還元反応を行う二酸化炭素還元装置に用いられる電解質膜において、内部に繊維が網目状に織り込まれている電解質膜。
- 前記繊維は、
三角形、正方形、又は、六角形の網目状の構造を備える請求項1に記載の電解質膜。 - 前記酸化槽は、前記電解液と前記電解液に浸漬させる半導体の酸化電極とを用いて光エネルギーにより水の酸化反応を行い、
前記還元槽は、前記酸化電極に導線を介して接続される前記還元電極と前記還元電極に直接接触させる二酸化炭素とを用いて二酸化炭素の還元反応を行う請求項1に記載の電解質膜。 - 前記酸化槽は、前記電解液と前記電解液に浸漬させる金属の酸化電極とを用いて電気エネルギーにより水の酸化反応を行い、
前記還元槽は、前記電気エネルギーの源に接続される前記還元電極と前記還元電極に直接接触させる二酸化炭素とを用いて二酸化炭素の還元反応を行う請求項1に記載の電解質膜。
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