Examination of CO2 reduction reaction sites using fast proton-conducting oxides via operando observations

通过操作观察使用快速质子传导氧化物检查 CO2 还原反应位点

基本信息

批准号：
21H01654
负责人：
兵頭潤次
金额：
$ 11.48万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、BaZr0.4Sc0.6O3-δ電解質と金属電極で構成される界面を対象に、プロトン伝導性酸化物を用いたCO2還元反応場へ赤外吸収分光法、電気化学計測、ガス質量分析を同時に計測するオペランド観測法を適用し、メタン生成に関与する活性中間体の同定、反応経路、およびメタン生成反応の電流効率を明らかにすることである。本年度は、昨年度導入したCO2還元反応膜型反応器評価用電気化学システム、および昨年度合成プロセスを開発したBaZr0.4Sc0.6O3-δ電解質を用いたアノード支持型セルを対象として電気化学的CO2還元特性を評価した。Niをカソード材料とした際のCO2還元特性を評価したところ、プロトン電流をカソードへ掃引することで、CO2ガスがメタン化反応を生じることを観測した。また、カソード電流量を増加することで、CH4生成速度が増加することを実測した。電流印加によるCH4生成速度増加量はファラデー則による期待値よりも小さいことから、水素供給による熱力学的反応駆動力増加がCH4生成速度を増加させたものと推測している。一方で、本セルで得られた結果はファラデー効率が約2％と著しく低く、触媒活性が低いことによりカソード過電圧が増大し、電解質からの電子リークが発生している状況であることが示唆された。また、オペランド赤外吸収分光装置を用いた反応中間体、出口ガス分析の同時計測を試みた。CH4中間体であるC-H結合由来の吸収ピークを観測することができた。しかし、電圧印加によるピーク強度の変化は小さく、また、質量分析によるCH4生成速度の変化も観測できなかった。電解化学計測においては、電圧印加の効果が観測されていることから、触媒量やガス空間速度を最適化し、検出できる条件出しが必要であることが示唆されている。

本研究的目的是应用红外吸收光谱、电化学测量和气体。本研究的目的是应用同时测量质谱的操作观察方法来识别甲烷生产中涉及的活性中间体、反应途径和甲烷生产反应的电流效率。今年，我们将重点关注用于评估去年推出的CO2还原反应膜反应器的电化学系统，以及使用我们开发的合成方法的BaZr0.4Sc0.6O3-δ电解质的阳极支撑电池的电化学CO2还原特性。去年的过程进行了评估。当我们评估使用Ni作为阴极材料时的CO2还原性能时，我们观察到通过将质子电流扫至阴极，CO2气体发生甲烷化反应。此外，我们实际上测量到，通过增加阴极电流量，CH4 生成率会增加。由于当前应用导致的CH 4 产率的增加量小于根据法拉第定律的预期值，因此假设由于氢供应导致的热力学反应驱动力的增加增加了CH 4 产率。另一方面，该电池获得的结果表明法拉第效率极低，约为 2%，这表明低催化活性会增加阴极过电压并导致电解液中的电子泄漏。我们还尝试使用原位红外吸收光谱仪同时测量反应中间体和出口气体分析。可以观察到来自作为CH4中间体的C-H键的吸收峰。然而，由于施加电压而引起的峰强度的变化很小，并且通过质谱法观察不到CH 4 生成速率的变化。在电化学测量中，观察到了电压施加的影响，这表明有必要优化催化剂的量和气体空速以创造允许检测的条件。