単一原子触媒から成るカスケード型高速CO2電解還元系の創製

创建由单原子催化剂组成的级联式高速CO2电解还原系统

基本信息

批准号：
22KJ2091
负责人：
加藤慎太郎
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

カーボンニュートラルの実現を目指す中で、CO2の電解還元は次世代のクリーンな燃料・化学原料の製造法として大きな注目を集めている。CO(一酸化炭素)よりもさらに還元が進んだエチレンやエタノールといったC2化合物は化学工業の基幹原料として特に重要であり、それらを高速・高選択的に生成できれば、CO2電解の社会実装に加速的に進むと期待される。そのような背景のもと、本研究課題ではC2化合物生成に高活性・高選択な電極触媒の創製に加え、その触媒能を最大限に引き出すことができる電極・電解セル開発を目指す。本年度は触媒能を最大限に引き出すことができる電極・電解セル開発を目的に、電解質の厚みを極限にまで薄くした固体高分子型CO2電解系においてアノード電解液由来のアルカリカチオン種がカソード側でのCO2還元反応に及ぼす影響の定量的評価を試みた。その結果、固体高分子膜をクロスオーバーしたアルカリカチオン種はCO2電解活性に正と負の両方の影響を及ぼすことを示唆した結果が得られた。アノード電解液に超純水を用いた場合にはC2化合物生成はほぼ確認されなかったことから、アノード電解液由来のアルカリカチオンがカソード側でのC2化合物生成における重要な要素であることが示唆された。また、アノード側からカソード側に輸送されるアルカリカチオン量の制御によりC2化合物生成の電解耐久性は大幅に向上した。これらの結果は、固体高分子型CO2電解において、アルカリカチオン種、および輸送量の適切な制御が重要であることを意味しており、高活性・高耐久性を発現可能にする必要条件の１つが明らかになったという点において非常に価値がある。

由于我们的目标是实现碳中和，因此电解还原二氧化碳作为生产下一代清洁燃料和化学原料的方法引起了广泛关注。乙烯、乙醇等C2化合物比CO（一氧化碳）还原性更强，作为化学工业的关键原材料尤为重要，如果能够快速、高选择性地生产它们，将加速CO2的社会化实施电解预计会向前推进。在此背景下，该研究项目旨在创造用于生产C2化合物的高活性和高选择性电极催化剂，以及开发能够最大限度地发挥其催化能力的电极和电解池。今年，为了开发能够最大限度提高催化性能的电极和电解池，我们开发了一种具有极薄电解质的固体聚合物CO2电解质系统，其中来自阳极电解质的碱性阳离子物质被转移到阴极侧。尝试定量评价CO2对CO2还原反应的影响。结果表明，穿过固体聚合物膜的碱金属阳离子对 CO2 电解活性既有积极的影响，也有消极的影响。当使用超纯水作为阳极电解质时，几乎没有观察到C2化合物的形成，这表明来自阳极电解质的碱金属阳离子是阴极侧Ta的C2化合物形成的重要元素。此外，通过控制从阳极侧传输到阴极侧的碱金属阳离子的量，显着提高了C2化合物生成的电解耐久性。这些结果表明，适当控制碱金属阳离子种类和传输量在固体聚合物型CO2电解中很重要，并且是实现高活性和高耐久性的必要条件之一，这一点具有重要意义。