中温作動型電解セルを用いた二酸化炭素還元反応の研究

中温电解槽二氧化碳还原反应的研究

基本信息

批准号：
20J14232
负责人：
藤原直也
金额：
$ 1.09万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

再生可能エネルギー由来電力を利用した電解セルにおける二酸化炭素と水からの有用物質合成は、炭素循環社会の確立や化石資源依存からの脱却、電力負荷の平準化などに貢献しうるプロセスである。本研究ではプロトン伝導性の固体リン酸塩電解質を用い、200℃付近の中温域で作動する電解セル（SAEC）の開発に取り組んだ。中温域では反応速度と生成物選択性の両立や排熱の有効活用が見込める。SAECの先行研究は数えるほどしかなく、実験手法の確立自体が課題であった。そこでまず、水蒸気電解の系で技術的な問題の把握・解消に取り組んだ。両極にPt/C触媒を用い、220℃にてファラデー効率80%程度での水素発生に成功した。一方で経時的なセル過電圧の増大がみられ、電解質材料のアノードへの浸出やアノード中の炭素材料の酸化などが劣化要因と判断された。検討を踏まえてアノードをPtメッシュに変更したところ、10 mA cm-2の定電流条件下で48時間にわたって安定した運転が実現した。アノード材料・構造の適切な設計によりセル劣化が抑制できることを示す成果である。その後二酸化炭素電解試験に取り組んだ。金属粉末と酸化物粉末の混合物をカソードとし、二酸化炭素を供給して220℃で定電流を印加した。カソード出口ガス組成を分析した結果、水素と一酸化炭素に加え、メタンをはじめとする7種の炭化水素・含酸素化合物が同時に検出された。うち6化学種はこれまでSAECで二酸化炭素から合成された報告はなく、本研究が世界初の例となる。SAECを利用して多様な化学種が合成可能であることを示す画期的な成果と言える。上記の結果はプロトンが直接二酸化炭素と反応する電気化学的反応過程の存在を強く示唆するものである。反応経路の検証を行うべくin situ DRIFTS（その場拡散反射赤外分光法）測定装置を作製し、電極表面の吸着化学種を検出することにも成功した。

使用可再生能源衍生的电力从二氧化碳和水中从二氧化碳和水中合成有用的物质是一个过程，可以有助于建立碳循环社会，减轻化石资源的依赖性并升级电力负载。在这项研究中，我们致力于使用质子传导固体磷酸电解质的电解细胞（SAEC）的开发，该电解细胞（SAEC）在200°C的中等温度范围内运行。在中等温度范围内，可以达到反应速率和产品选择性，并有效使用排气热。先前关于SAEC的研究只有少数研究，实验方法本身的建立一直是一个挑战。首先，我们努力使用蒸汽电解系统理解和解决技术问题。使用PT/C催化剂，用于两种电极，在220°C下成功产生氢，法拉第效率约为80％。另一方面，随着时间的流逝，观察到细胞过压的增加，并且降解因子（例如渗入阳极中的电解质材料和阳极中的碳材料）被确定为恶化的因素。根据研究，将阳极更改为PT网格，并在10 mA CM-2的恒定电流条件下实现了48小时的稳定操作。这是一个成就，表明可以通过适当设计阳极材料和结构来抑制细胞降解。之后，他们进行了二氧化碳电解测试。将金属粉末和氧化物粉末的混合物用作阴极，并提供二氧化碳在220°C下施加恒定电流。由于分析了阴极出口气体的组成，除了氢和一氧化碳之外，还检测到七种类型的碳氢化合物和氧化化合物，包括甲烷在内。没有SAEC报告说，其中六种是从二氧化碳合成的，这项研究是世界上的第一个例子。这是一项开创性的成就，证明了使用SAEC合成多种化学物种。以上结果强烈表明存在电化学反应过程，其中质子与二氧化碳直接反应。为了验证反应路径，制造了原位漂移（原位扩散反射红外光谱）测量装置，并成功检测到电极表面上的吸附化学物种。

项目成果

期刊论文数量（3）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

固体リン酸塩電解質を利用した中温作動型電解セルの開発

使用固体磷酸盐电解质的中温操作电解槽的开发

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
Yoshii Tomoya;Takayama Ikumi;Fukutani Yosuke;Ikuta Takashi;Maehashi Kenzo;Yohda Masafumi;Katsutoshi Nagaoka;藤原直也
通讯作者：
藤原直也

Direct electrochemical synthesis of oxygenates from ethane using phosphate-based electrolysis cells