水熱下における電気化学的CO2変換反応

水热条件下电化学CO2转化反应

• 批准号: 22K14760
• 负责人: 山口 晃
• 金额: $ 3万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14760/
• 关键词: 二酸化炭素還元; 金属硫化物; 水熱条件; 電気化学

本研究では、通常とは異なる水熱条件下において電気化学的二酸化炭素還元反応を駆動させることで、電気化学反応における温度、圧力の影響を調べ、電気化学反応における新たな知見を提供する。独自に開発した水熱電気化学フローリアクターを用いることで、通常は従属関係にある温度と圧力の独立制御を可能にした。これまでの研究では、その前段階として、金属硫化物を触媒として用いた電気化学ではない熱水下での反応において、二酸化炭素の還元反応に対する活性パラメータの抽出を行った。実験としては、バイアル瓶に金属硫化物の分散水溶液と二酸化炭素、水素を封入し、80℃で加熱することで反応を行った。複数の金属硫化物触媒に対して同様の実験を行い、得られた活性と各金属硫化物の物性パラメータのデータセットに対して重回帰分析を行い、活性と相関の高い物性の抽出を行った。18種類の単金属硫化物を触媒として用いて反応を行ったところ、一酸化炭素やメタンが生成物として得られ、特に硫化銅や硫化コバルトを触媒として用いた際に多くの一酸化炭素の生成がみられた。さらに、これらの触媒では、同時にギ酸や酢酸も生成物として得られた。続いて、得られた18種類のデータセットに対して、生成物の変換効率を目的変数、12種類の物性パラメータを説明変数とした重回帰分析を行うことで活性に寄与するパラメータの抽出を試みた。その結果、一酸化炭素生成に関しては有意な結果は得られなかったが、ギ酸、および酢酸生成においては金属-硫黄結合長や金属-硫黄-金属角度など、構造的なパラメータが活性に大きく影響していることが明らかとなった。さらに、銅と鉄を複合化させた金属硫化物ではさらなる酢酸生成の向上が観測された。金属硫化物を触媒として用いた際に酢酸が生成することはこれまであまり報告がなく、今後水熱電気化学へと移行した際に新たな知見をもたらすと期待できる。

在本研究中，我们将通过在异常水热条件下驱动电化学二氧化碳还原反应来研究温度和压力对电化学反应的影响，并提供电化学反应的新知识。通过使用独特开发的水热电化学流动反应器，可以独立控制通常相互依赖的温度和压力。在之前的研究中，作为初步步骤，我们提取了水热条件下使用金属硫化物作为催化剂的非电化学反应中二氧化碳还原反应的活性参数。实验中，将金属硫化物分散液、二氧化碳和氢气密封在小瓶中，在80℃下加热进行反应。对多种金属硫化物催化剂进行了类似的实验，对得到的每种金属硫化物的活性和物性参数数据集进行多元回归分析，提取与活性高度相关的物性。当使用18种单一金属硫化物作为催化剂进行反应时，得到一氧化碳和甲烷作为产物，特别是当使用硫化铜和硫化钴作为催化剂时，产生大量的一氧化碳。此外，利用这些催化剂，还获得了甲酸和乙酸作为产物。接下来，我们尝试通过对获得的 18 种数据集进行多元回归分析来提取有助于活性的参数，以产品转化效率为目标变量，以 12 种物理性质参数为解释变量 Ta。结果，对于一氧化碳的生产没有获得显着的结果，但是对于甲酸和乙酸的生产，结构参数如金属-硫键长度和金属-硫-金属角度对活性影响很大。此外，使用金属硫化物（铜和铁的复合物）可以进一步提高乙酸的产量。到目前为止，很少有关于金属硫化物作为催化剂产生乙酸的报道，预计未来当我们转向水热电化学时会带来新的知识。