JP7462261B2 - CO2 reduction electrode catalyst, method for manufacturing CO2 reduction electrode catalyst, CO2 reduction electrode, and CO2 reduction system - Google Patents
CO2 reduction electrode catalyst, method for manufacturing CO2 reduction electrode catalyst, CO2 reduction electrode, and CO2 reduction system Download PDFInfo
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Description
特許法第30条第2項適用 2019年電気化学秋季大会 講演要旨集、https://confit.atlas.jp/guide/event/ecsj2019f/proceedings/list(掲載アドレス)、令和1年8月27日(掲載日) 〔刊行物等〕 2019年電気化学秋季大会(集会名)、令和1年9月6日(開催日)
本発明は、CO2還元用電極触媒、CO2還元用電極触媒の製造方法、CO2還元電極、およびCO2還元システムに関する。 The present invention relates to an electrode catalyst for CO 2 reduction, a method for producing an electrode catalyst for CO 2 reduction, a CO 2 reduction electrode, and a CO 2 reduction system.
地球気候変動の主要因とされる二酸化炭素(CO2)の排出量を削減する方法の一つとして、再生可能エネルギー由来の電力を用いてCO2と水を、一酸化炭素(CO)などの還元生成物と酸素へ電気分解し、循環利用する方法が知られている。 One method of reducing carbon dioxide ( CO2 ) emissions, which is considered to be the main cause of global climate change, is to use electricity derived from renewable energy sources to electrolyze CO2 and water into reduction products such as carbon monoxide (CO) and oxygen, and then recycle the resulting products.
CO2を電気分解によって還元する電気化学反応装置の還元電極として、金を含み、デンドライト構造を有する多孔質金属層を備えるCO2還元触媒を用いる技術が提案されている(特許文献1参照)。 A technology has been proposed in which a CO2 reduction catalyst including a porous metal layer containing gold and having a dendritic structure is used as a reduction electrode of an electrochemical reaction device that reduces CO2 by electrolysis (see Patent Document 1).
特許文献1に記載の還元触媒は、CO生成のエネルギー効率に優れているが、原子当たりの効率が低く、また金などの貴金属を用いていることから高価である。本発明者らは、CO2還元用電極触媒について鋭意検討を重ねた結果、CO生成のエネルギー効率に優れており、原子当たりの効率が高く、かつ安価なCO2還元用電極触媒を提供できる技術に想到した。 The reduction catalyst described in Patent Document 1 has excellent energy efficiency in CO generation, but has low efficiency per atom, and is expensive because it uses precious metals such as gold. As a result of extensive research into CO2 reduction electrode catalysts, the present inventors have come up with a technology that can provide an inexpensive CO2 reduction electrode catalyst that has excellent energy efficiency in CO generation, high efficiency per atom, and is inexpensive.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つはCO生成のエネルギー効率に優れており、原子当たりの効率が高く、かつ安価な新たなCO2還元用電極触媒を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of these circumstances, and one of its objectives is to provide a new electrode catalyst for CO2 reduction that has excellent energy efficiency in CO production, high efficiency per atom, and is inexpensive.
本発明のある態様はCO2還元用電極触媒である。このCO2還元用電極触媒は、導電性を示す多孔質のカーボン担体と、
下記一般式(1):
で表される化合物、および
一般式(1)で表される繰り返し単位を有し、一般式(1)中、R1~R5のうち1つのアルキル基が主鎖であり、複素芳香環が側鎖であるポリマー、および
一般式(2):
で表される化合物からなる群より選択され、カーボン担体に担持されている窒素含有複素芳香環化合物と、
窒素含有複素芳香環化合物の複素芳香環上の窒素原子4つと配位しているコバルトイオンと、
を含み、
全コバルト担持量に対するCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.3以上であるか、または
全コバルト担持量に対して、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.2以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.5以下である。
One aspect of the present invention is an electrode catalyst for CO2 reduction. This electrode catalyst for CO2 reduction comprises a porous carbon support exhibiting electrical conductivity,
The following general formula (1):
A compound represented by the following general formula (1):
A nitrogen-containing heteroaromatic ring compound supported on a carbon support, the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound being selected from the group consisting of compounds represented by the formula:
a cobalt ion coordinated to four nitrogen atoms on a heteroaromatic ring of a nitrogen-containing heteroaromatic ring compound;
Including,
The molar ratio of the complex portion having the Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is 0.3 or more, or the molar ratio of the complex portion having the Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is 0.2 or more and the molar ratio of metallic cobalt is 0.5 or less.
本発明の他の態様は上記CO2還元用電極触媒の製造方法である。この製造方法は、下記一般式(1):
で表される化合物、および
一般式(1)で表される繰り返し単位を有し、一般式(1)中、R1~R5のうち1つのアルキル基が主鎖であり、複素芳香環が側鎖であるポリマー、および
下記一般式(2):
で表される化合物からなる群より選択される窒素含有複素芳香環化合物をコバルトイオンに配位させ、コバルトイオンに配位させた窒素含有複素芳香環化合物を、導電性を示す多孔質のカーボン担体に吸着させ、焼成する。
Another aspect of the present invention is a method for producing the above-mentioned CO2 reduction electrode catalyst. This method comprises the steps of:
A compound represented by the following general formula ( 2 ):
A nitrogen-containing heteroaromatic ring compound selected from the group consisting of compounds represented by the following formula (I) is coordinated to a cobalt ion, and the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound coordinated to the cobalt ion is adsorbed onto a porous carbon support exhibiting electrical conductivity, followed by calcination.
本発明のさらに他の態様はCO2還元電極である。このCO2還元電極は上記CO2還元用電極触媒を含む。 Yet another embodiment of the present invention is a CO2 reduction electrode. The CO2 reduction electrode includes the above-mentioned CO2 reduction electrode catalyst.
本発明のさらに他の態様はCO2還元システムである。このCO2還元システムは、上記CO2還元電極と、酸化電極と、CO2還元電極と酸化電極との間に接続された電源と、を含む。 Yet another aspect of the present invention is a CO2 reduction system. The CO2 reduction system includes the CO2 reduction electrode, an oxidation electrode, and a power source connected between the CO2 reduction electrode and the oxidation electrode.
本発明によれば、CO生成のファラデー効率に優れており、かつ安価な新たなCO2還元用電極触媒を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a new electrode catalyst for reducing CO 2 that has excellent faradaic efficiency for producing CO and is inexpensive.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The embodiments are illustrative and do not limit the invention, and all features and combinations described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. The scale and shape of each part shown in each figure are set for convenience to facilitate explanation, and should not be interpreted as being limiting unless otherwise specified. In addition, some of the components that are not important for explaining the embodiments are omitted in each figure.
(CO2還元用電極触媒)
実施の形態に係るCO2還元用電極触媒は、導電性を示す多孔質のカーボン担体と、上記一般式(1)で表される化合物、および上記一般式(1)で表される繰り返し単位を有し、一般式(1)中、R1~R5のうち1つのアルキル基が主鎖であり、複素芳香環が側鎖であるポリマー、および上記一般式(2)で表される化合物からなる群より選択され、カーボン担体に担持されている窒素含有複素芳香環化合物と、窒素含有複素芳香環化合物の複素芳香環上の窒素原子4つと配位しているコバルトイオンと、を含み、全コバルト担持量に対するCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.3以上であるか、または全コバルト担持量に対して、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.2以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.5以下である。
(Electrode catalyst for CO2 reduction)
The electrode catalyst for reducing CO2 according to the embodiment includes a conductive porous carbon support, a compound represented by the above general formula (1), a polymer having a repeating unit represented by the above general formula (1), in which one of R 1 to R 5 in general formula (1) is the main chain and a heteroaromatic ring is a side chain, and a compound represented by the above general formula (2), the electrode catalyst includes a nitrogen-containing heteroaromatic ring compound supported on the carbon support, and cobalt ions coordinated to four nitrogen atoms on the heteroaromatic ring of the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound, and the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is 0.3 or more, or the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is 0.2 or more, and the molar ratio of metallic cobalt is 0.5 or less.
実施の形態に係るCO2還元用電極触媒においては、全コバルト担持量に対するCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.3以上であるか、または全コバルト担持量に対して、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.2以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.5以下である。CO2の電解還元において、還元電極側では、目的物質であるCOの他に、副生成物としてH2が生成する可能性がある。実施の形態に係るCO2還元用電極触媒のCo-N4C結合をもつ錯体部は、CO2をCOへ還元する反応の活性点として作用する。Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比を0.3以上とするか、またはCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比を0.2以上とし、かつ金属コバルトのモル比を0.5以下とすることで、電解還元生成物中のCO割合を増加させることができ、CO生成のエネルギー効率を実用に足るレベルとすることができる。さらに、実施の形態に係るCO2還元用電極触媒は、原子当たりの効率が高く、さらに、金などの貴金属を使用する従来の触媒と比較して安価に製造できる。 In the CO2 reduction electrode catalyst according to the embodiment, the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond to the total cobalt loading is 0.3 or more, or the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond to the total cobalt loading is 0.2 or more, and the molar ratio of metallic cobalt is 0.5 or less. In the electrolytic reduction of CO2 , in addition to the target substance CO, H2 may be generated as a by-product on the reduction electrode side. The complex part having a Co-N 4 C bond of the CO2 reduction electrode catalyst according to the embodiment acts as an active site for the reaction of reducing CO2 to CO. By setting the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond to 0.3 or more, or the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond to 0.2 or more, and the molar ratio of metallic cobalt to 0.5 or less, the CO ratio in the electrolytic reduction product can be increased, and the energy efficiency of CO generation can be made at a practical level. Furthermore, the CO 2 reduction electrode catalyst according to the embodiment has a high efficiency per atom and can be manufactured inexpensively compared to conventional catalysts that use precious metals such as gold.
ここで、CO生成のエネルギー効率をさらに増加させるという観点から、全コバルト担持量に対するCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比は、好ましくは0.3以上であり、より好ましくは0.4以上である。また、全コバルト担持量に対して、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.3以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.4以下であるのが好ましく、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.4以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.2以下であるのがより好ましい。 From the viewpoint of further increasing the energy efficiency of CO production, the molar ratio of the complex moiety having a Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.4 or more. Also, it is preferable that the molar ratio of the complex moiety having a Co-N 4 C bond is 0.3 or more and the molar ratio of metallic cobalt is 0.4 or less, and it is more preferable that the molar ratio of the complex moiety having a Co-N 4 C bond is 0.4 or more and the molar ratio of metallic cobalt is 0.2 or less, relative to the total amount of supported cobalt.
また、CO生成のエネルギー効率をさらに増加させるという観点から、CO2還元用電極触媒に含まれる酸化コバルトの全コバルト担持量に対するモル比が0.8以下であるのが好ましい。なお、酸化コバルトは、CO2の電解還元において不活性な物質である。 In addition, from the viewpoint of further increasing the energy efficiency of CO production, it is preferable that the molar ratio of cobalt oxide contained in the CO2 reduction electrode catalyst to the total cobalt supported amount is 0.8 or less. Note that cobalt oxide is an inactive substance in the electrolytic reduction of CO2 .
CO2還元用電極触媒を構成するカーボン担体は、導電性を示し、かつ窒素含有複素芳香環化合物を担持できる多孔質のものであれば特に限定されない。カーボン担体の例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどを挙げることができる。 The carbon support constituting the electrode catalyst for CO2 reduction is not particularly limited as long as it is conductive and porous and can support a nitrogen-containing heteroaromatic ring compound. Examples of the carbon support include ketjen black, acetylene black, carbon black, carbon nanotubes, graphene, and fullerene.
CO2還元用電極触媒を構成する上記一般式(1)で表される化合物は、ピリジン環(X=H)またはピリミジン環(X=N)が自由に分子運動できる構造である。式(1)中、R1~R5は、それぞれ独立にHまたはアルキル基であり、R1~R5のうち少なくとも1つがアルキル基である。但しXがNである場合、R4は存在せず、R1~R3およびR5のうち少なくとも1つがアルキル基である。R1~R5のアルキル基は、式(1)中の複素芳香環(ピリジン環またはピリミジン環)が自由に分子運動できるものであれば、直鎖状でも分岐鎖状でもよく、その長さは制限されない。 The compound represented by the above general formula (1) constituting the electrode catalyst for CO2 reduction has a structure in which the pyridine ring (X = H) or pyrimidine ring (X = N) can freely move molecularly. In formula (1), R 1 to R 5 are each independently H or an alkyl group, and at least one of R 1 to R 5 is an alkyl group. However, when X is N, R 4 does not exist, and at least one of R 1 to R 3 and R 5 is an alkyl group. The alkyl groups of R 1 to R 5 may be linear or branched as long as the heteroaromatic ring (pyridine ring or pyrimidine ring) in formula (1) can freely move molecularly, and their length is not limited.
CO2還元用電極触媒を構成する、上記一般式(1)で表される繰り返し単位を有するポリマーは、一般式(1)中、R1~R5のうち1つのアルキル基が主鎖であり、複素芳香環が側鎖であるポリマーである。なお、上述したように、式(1)においてXがNである場合、R4は存在しない。この場合、当然ながら、ポリマーの主鎖は、R1~R3およびR5のうち1つのアルキル基である。ポリマーの主鎖の構造は、側鎖の複素芳香環が自由に分子運動できるものであれば特に限定されない。ポリマーの代表例としては、ポリ-4-ビニルピリジンなどを挙げることができる。 The polymer having a repeating unit represented by the above general formula (1) constituting the electrode catalyst for reducing CO2 is a polymer in which one of the alkyl groups R 1 to R 5 in the general formula (1) is the main chain and a heteroaromatic ring is the side chain. As described above, when X is N in the formula (1), R 4 does not exist. In this case, the main chain of the polymer is, of course, one of the alkyl groups R 1 to R 3 and R 5. The structure of the main chain of the polymer is not particularly limited as long as the heteroaromatic ring in the side chain can freely move molecularly. A representative example of the polymer is poly-4-vinylpyridine.
CO2還元用電極触媒を構成する上記一般式(2)で表される窒素含有複素芳香環化合物において、一般式(2)中のR6~R13は、それぞれ独立にHまたはアルキル基である。R1およびR2のアルキル基は、式(2)中のビピリジン環が自由に分子運動できるものであれば、直鎖状でも分岐鎖状でもよく、その長さは制限されない。実施の形態に係るCO2還元用電極触媒において、式(2)で表される化合物2分子のビピリジン環内の窒素原子合計4つがコバルトイオンに配位する。 In the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound represented by the general formula (2) constituting the CO2 reduction electrode catalyst, R6 to R13 in the general formula (2) are each independently H or an alkyl group. The alkyl groups of R1 and R2 may be linear or branched, and their length is not limited, as long as the bipyridine ring in the formula (2) can freely move. In the CO2 reduction electrode catalyst according to the embodiment, a total of four nitrogen atoms in the bipyridine ring of two molecules of the compound represented by the formula (2) are coordinated to the cobalt ion.
実施の形態に係るCO2還元用電極触媒においては、配位している窒素原子とコバルトイオンとの間の距離が2.0Å以上3.0Å以下であることが好ましく、2.0Å以上2.5Å以下であることがより好ましく、2.0Å以上2.2Å以下であることがさらにより好ましい。このような距離でコバルトイオンに配位した窒素含有複素芳香環化合物がカーボン担体上に固定されることによって、コバルトのCO2還元活性をより高めることができる。 In the CO2 reduction electrode catalyst according to the embodiment, the distance between the coordinated nitrogen atom and the cobalt ion is preferably 2.0 Å to 3.0 Å, more preferably 2.0 Å to 2.5 Å, and even more preferably 2.0 Å to 2.2 Å. The nitrogen-containing heteroaromatic ring compound coordinated to the cobalt ion at such a distance is fixed on the carbon support, thereby further increasing the CO2 reduction activity of cobalt.
(CO2還元用電極触媒の製造方法)
本実施の形態に係るCO2還元用電極触媒の製造方法は、ピリジル基を側鎖に有するビニルポリマーおよび上記一般式(1)で表される化合物からなる群より選択される窒素含有複素芳香環化合物をコバルトイオンに配位させ、コバルトイオンに配位させた窒素含有複素芳香環化合物を、導電性を示す多孔質のカーボン担体に吸着させ、焼成する。ここで、窒素含有複素芳香環化合物およびカーボン担体は、上述したCO2還元用電極触媒の実施形態におけるものと同じである。
(Method for producing electrode catalyst for CO2 reduction)
In the method for producing the electrode catalyst for CO2 reduction according to the present embodiment, a nitrogen-containing heteroaromatic ring compound selected from the group consisting of vinyl polymers having a pyridyl group in the side chain and compounds represented by the above general formula (1) is coordinated to a cobalt ion, and the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound coordinated to the cobalt ion is adsorbed on a conductive porous carbon support and then calcined. Here, the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound and the carbon support are the same as those in the embodiment of the electrode catalyst for CO2 reduction described above.
窒素含有複素芳香環化合物のコバルトイオンへの配位させる方法は特に限定されないが、例えば、窒素含有複素芳香環化合物とコバルト塩とを溶媒に分散させることによって行うことができる。また、窒素含有複素芳香環化合物およびコバルト塩のそれぞれを溶媒に分散させ、2つの分散液を混合することによって、窒素含有複素芳香環化合物のコバルト錯体溶液を形成してもよい。 The method of coordinating the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound to the cobalt ion is not particularly limited, but can be carried out, for example, by dispersing the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound and the cobalt salt in a solvent. Alternatively, the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound and the cobalt salt may each be dispersed in a solvent, and the two dispersions may be mixed to form a cobalt complex solution of the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound.
コバルトイオンに配位させた窒素含有複素芳香環化合物のカーボン担体へ吸着方法は特に限定されないが、例えば、得られたコバルト錯体溶液にカーボン担体を添加し、混合することによって行うことができる。吸着後、例えば蒸発乾固によって溶液を除去して、コバルト錯体が担持されたカーボン担体を得ることができる。 The method of adsorbing the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound coordinated to the cobalt ion onto the carbon support is not particularly limited, but can be carried out, for example, by adding the carbon support to the obtained cobalt complex solution and mixing. After adsorption, the solution can be removed, for example, by evaporation to dryness, to obtain the carbon support carrying the cobalt complex.
本実施の形態に係る製造方法においては、得られたコバルト錯体が担持されたカーボン担体を焼成する。焼成温度は、600K~873Kであることが好ましく、600K~800Kであることがより好ましく、650K~750Kであることがさらにより好ましい。焼成温度をこのような範囲内とすることによって、コバルトのCO2還元活性をさらに高めることができる。焼成は1回でもよいが、コバルト錯体をカーボン担体により適切に固定するという観点から、温度を変更して2回以上行ってもよい。焼成時間は特に限定されず、例えば1時間~10時間の間で適宜設定することができる。 In the manufacturing method according to the present embodiment, the obtained carbon support carrying the cobalt complex is calcined. The calcination temperature is preferably 600K to 873K, more preferably 600K to 800K, and even more preferably 650K to 750K. By setting the calcination temperature within such a range, the CO2 reduction activity of cobalt can be further increased. Calcination may be performed once, but from the viewpoint of more appropriately fixing the cobalt complex to the carbon support, the temperature may be changed and the calcination may be performed two or more times. The calcination time is not particularly limited and can be appropriately set, for example, between 1 hour and 10 hours.
焼成によって形成された触媒は、酸性水溶液を用いて洗浄することが好ましい。触媒の形成の際に、副生成物として酸化コバルトや金属コバルトがカーボン担体上に生成される可能性がある。コバルト量当たりのCO生成速度を向上させるためには、これらの副生成物の中でも特に酸化コバルトを除去し、全コバルト担持量に対する酸化コバルトのモル比を0.8以下とすることが望ましい。したがって、酸性水溶液は、触媒の活性に影響を与えることなく、酸化コバルトを除去できるものであれば特に限定されない。このような酸性水溶液の例としては、希硝酸、希硫酸、希塩酸などを挙げることができる。また、副生成物の金属コバルトは、焼成温度を上述した温度範囲に制御することによって、その生成を抑制することができる。 The catalyst formed by calcination is preferably washed with an acidic aqueous solution. During the formation of the catalyst, cobalt oxide and metallic cobalt may be generated as by-products on the carbon support. In order to improve the CO generation rate per amount of cobalt, it is desirable to remove cobalt oxide from among these by-products and set the molar ratio of cobalt oxide to the total amount of cobalt supported to 0.8 or less. Therefore, the acidic aqueous solution is not particularly limited as long as it can remove cobalt oxide without affecting the activity of the catalyst. Examples of such acidic aqueous solutions include dilute nitric acid, dilute sulfuric acid, and dilute hydrochloric acid. Furthermore, the generation of metallic cobalt as a by-product can be suppressed by controlling the calcination temperature to the above-mentioned temperature range.
(CO2還元電極)
実施の形態に係るCO2還元電極は、上記の実施の形態に係るCO2還元用電極触媒を含む。このCO2還元極は、上記CO2還元用電極触媒を用いていることから、CO2還元システムの還元電極として用いた際に、CO生成のエネルギー効率が高く、原子当たりの効率が高い。また、このCO2還元電極は安価に製造することができる。
( CO2 reduction electrode)
The CO2 reduction electrode according to the embodiment includes the CO2 reduction electrode catalyst according to the above embodiment. Since this CO2 reduction electrode uses the above CO2 reduction electrode catalyst, when used as a reduction electrode in a CO2 reduction system, the energy efficiency of CO generation is high and the efficiency per atom is high. In addition, this CO2 reduction electrode can be manufactured inexpensively.
CO2還元電極の形状は特に限定されず、例えば、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状などの様々な形状を挙げることができる。例えば、CO2還元電極は、上記CO2還元用電極触媒を基材表面に配置することによって形成することができる。CO2還元用電極触媒を配置する基材の例としては、カーボンペーパーなどを挙げることができる。また、例えば、CO2還元電極は、上記CO2還元用電極触媒そのものを成形することによって形成することができる。 The shape of the CO2 reduction electrode is not particularly limited, and may be, for example, a plate, a mesh, a wire, a particle, a porous, a thin film, an island, or other various shapes. For example, the CO2 reduction electrode can be formed by disposing the CO2 reduction electrode catalyst on the surface of a substrate. An example of the substrate on which the CO2 reduction electrode catalyst is disposed is carbon paper. In addition, for example, the CO2 reduction electrode can be formed by molding the CO2 reduction electrode catalyst itself.
(CO2還元システム)
図1は、実施の形態に係るCO2還元システムを示す模式図である。CO2還元システム10は、還元電極12と、酸化電極14と、還元電極12と酸化電極14との間を接続する電源16と、還元電極12を収容し、CO2還元反応を行う還元反応部18と、酸化電極14を収容し、H2O酸化反応を行う酸化反応部20と、還元電極12と酸化電極14との間に配置されたイオン交換膜22と、を含む。後述するように、CO2還元システム10は、上記の実施形態に係るCO2還元用電極触媒が還元電極12に用いられていることから、CO生成のエネルギー効率が高く、原子当たりの効率が高く、安価に製造することができる。
( CO2 reduction system)
1 is a schematic diagram showing a CO 2 reduction system according to an embodiment. The CO 2 reduction system 10 includes a
還元電極12は、CO2を還元して炭素化合物を生成する電極である。酸化電極14は、水を酸化して、酸素や水素イオンを生成する電極である。還元電極12で還元反応を生じさせるために、還元電極12は電源16の負極端子に接続されている。酸化電極14で酸化反応を生じさせるために、酸化電極14は電源16の正極端子に接続されている。
The
還元電極12には、上記の実施形態に係るCO2還元電極が用いられている。酸化電極14は、水を酸化して酸素や水素イオンを生成することが可能な材料であれば特に限定されず、公知の材料から構成することができる。そのような材料の例としては、イリジウム、白金、パラジウム、ニッケルなどの金属、それらの金属を含む合金や金属間化合物、酸化イリジウム、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ルテニウムなどの二元系金属酸化物、Ni-Co-O、Ni-Fe-O、La-Co-O、Ni-La-O、Sr-Fe-Oなどの三元系金属酸化物、Pb-Ru-Ir-O、La-Sr-Co-Oなどの四元系金属酸化物、Ru錯体やFe錯体などの金属錯体を挙げることができる。酸化電極14には、板状、メッシュ状、ワイヤ状、粒子状、多孔質状、薄膜状、島状等の各種形状を適用することができる。酸化電極14は、これらの材料を基材上に積層した複合電極であってもよい。
The
還元反応部18には、還元電極12によって還元するCO2が供給される。還元するCO2は気体であっても、CO2を含む溶液の形態であってもよい。溶液の形態である場合、CO2の吸収率が高い溶液を用いるのが好ましい。そのような溶液の例としては、LiHCO3、NaHCO3、KHCO3、CsHCO3、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、Cs2CO3などの水溶液を挙げることができる。また、メタノール、エタノール、アセトンなどのアルコール類の溶媒を用いてCO2を含む溶液としてもよい。CO2を含む溶液は、CO2の還元電位を上昇させ、イオン伝導性が高く、CO2を吸収するCO2吸収剤を含む溶液であることが望ましい。そのような溶液の例として、イミダゾリウムイオンやピリジニウムイオンなどの陽イオンと、BF4
-やPF6
-などの陰イオンとの塩から構成され、幅広い温度範囲で液体状態であるイオン液体またはその水溶液を挙げることができる。その他の溶液としては、エタノールアミン、イミダゾール、ピリジンなどのアミン溶液またはその水溶液を挙げることができる。なお、アミンは、一級アミン、二級アミン、三級アミンのいずれであってもよい。
The
酸化反応部20には、酸化電極14によって酸化するH2Oが供給される。酸化するH2Oとして、純水を用いることができる。純水の代わりに、任意の電解質を含む水溶液を用いてもよく、H2Oの酸化反応を促進する水溶液を用いることが好ましい。そのような水溶液の例としては、硫酸、硝酸、過塩素酸、塩酸が挙げられる。
The
イオン交換膜22は、還元電極12と酸化電極14との間でイオンを移動させることができる材料から構成されていればよく、材料の種類は特に限定されない。イオン交換膜の例としては、ナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのカチオン交換膜、ネオセプタ(登録商標)、セレミオン(登録商標)などのアニオン交換膜を挙げることができる。
The
次に、CO2還元システム10の動作につい説明する。電源16から酸化電極14に電位を印加すると、酸化電極14付近でH2Oの酸化反応が生じて、酸素(O2)と水素イオン(H+)とが生成される。酸化電極14側で生成されたH+はイオン交換膜22を介して還元電極12に到達する。電源26から還元電極12に供給される電子(e-)と還元電極12に移動したH+とによって、CO2の還元反応が生じる。CO2の還元反応によって、COが生成される。CO2還元システム10において、CO生成のエネルギー効率が、CO生成速度1mmol/h/cm2において63%以上であるのが好ましい。ここで、CO生成のエネルギー効率は、CO生成とO2発生の理論電位である1.33Vを、還元電極と酸化電極との間に印加した電圧で割ることによって求められる。
Next, the operation of the CO2
なお、図1に示すCO2還元システムの構成は一例に過ぎず、上記実施形態に係るCO2還元電極を用いてCO2の還元反応を行うことが可能なシステムであれば様々な変形が可能である。例えば、図1に示すCO2還元システムは、還元電極12と酸化電極14との間に、イオン交換膜22が還元電極12と酸化電極14とに接するように配置されているが、還元電極12および酸化電極14がイオン交換膜から離れていてもよい。また、例えば、還元電極12および酸化電極14が電解液と接するように、電解液を流通させる電解液流路を備えていてもよい。これら以外にも種々の変形が可能である。
The configuration of the CO2 reduction system shown in FIG. 1 is merely an example, and various modifications are possible as long as the system can perform a CO2 reduction reaction using the CO2 reduction electrode according to the above embodiment. For example, the CO2 reduction system shown in FIG. 1 is arranged between the
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。 The following describes examples of the present invention, but these examples are merely illustrative examples for the purpose of explaining the present invention in a suitable manner and do not limit the present invention in any way.
(実施例1)
実施例1のCO2還元側電極を、下記の手順により調製した。
Example 1
The CO2 reduction electrode of Example 1 was prepared by the following procedure.
(Co-N4C配位錯体の調製)
硝酸コバルト6水和物(試薬特級、富士フイルム和光純薬株式会社製)をエタノール(試薬特級、富士フイルム和光純薬株式会社製)に溶解させ、コバルトが40mMとなるようにコバルト溶液を調製した。ポリ(4-ビニルピリジン)80mg(重量平均分子量60000,シグマアルドリッチ製)をエタノール(試薬特級、富士フイルム和光純薬株式会社製)に溶解させ全量を50mLとし、20分攪拌してポリマーを十分に分散した。次いで、コバルト溶液1.7mLを混合し15分攪拌した。ここで得られる錯体をコバルト錯体と表記する。
(Preparation of Co-N 4 C Coordination Complex)
Cobalt nitrate hexahydrate (special grade reagent, manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in ethanol (special grade reagent, manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to prepare a cobalt solution with a cobalt concentration of 40 mM. 80 mg of poly(4-vinylpyridine) (weight average molecular weight 60,000, manufactured by Sigma-Aldrich) was dissolved in ethanol (special grade reagent, manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to make the
(コバルト錯体の導電性多孔性材料への担持)
ケッチェンブラック担体107.6mg(ECP,LION社製)を上記溶液に混合したあと、ホットプレートで攪拌しながら343Kで加熱、蒸発乾固した。得られた粉体をホットプレート上343Kで16時間乾燥した。これをコバルト触媒前駆体と表記する。
(Supporting cobalt complex on conductive porous material)
107.6 mg of Ketjen Black carrier (ECP, Lion) was mixed into the above solution, and then heated to 343 K while stirring on a hot plate to evaporate and dry. The obtained powder was dried on a hot plate at 343 K for 16 hours. This is referred to as a cobalt catalyst precursor.
(コバルト触媒前駆体の部分焼成)
コバルト触媒前駆体を平底型の石英製反応器に入れ、ヘリウム流通下、昇温速度25K/min、423Kで1時間、次いで673Kで3時間熱処理した。これをコバルト触媒(精製前)と表記する。
(Partial Calcination of Cobalt Catalyst Precursor)
The cobalt catalyst precursor was placed in a flat-bottom quartz reactor and heat-treated under a helium flow at a heating rate of 25 K/min at 423 K for 1 hour and then at 673 K for 3 hours. This is referred to as cobalt catalyst (before purification).
(コバルト触媒(精製前)の洗浄)
0.1Mの希硝酸中にコバルト触媒(精製前)を加え、300rpmで1時間攪拌したのち、孔径0.1μmの親水性メンブレンフィルターを用いて吸引ろ過し、イオン交換水200mLでpHが6~7になるまで洗浄した。その後20mLの2-プロパノールで3回洗浄した。ろ過物を353Kで1時間減圧乾燥した。これをコバルト触媒(精製後)と表記する。
(Washing of cobalt catalyst (before purification))
The cobalt catalyst (before purification) was added to 0.1 M diluted nitric acid and stirred at 300 rpm for 1 hour, then suction filtered using a hydrophilic membrane filter with a pore size of 0.1 μm and washed with 200 mL of ion-exchanged water until the pH reached 6 to 7. Then, it was washed three times with 20 mL of 2-propanol. The filtered product was dried under reduced pressure at 353 K for 1 hour. This is referred to as the cobalt catalyst (after purification).
(実施例2)
コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を723Kとした以外は実施例1と同様にして、実施例2のコバルト触媒(精製後)を調製した。
Example 2
A cobalt catalyst (after purification) of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 723K.
(実施例3)
コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を773Kとした以外は実施例1と同様にして、実施例3のコバルト触媒(精製後)を調製した。
Example 3
A cobalt catalyst (after purification) of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 773K.
(実施例4)
コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を673Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、実施例4のコバルト触媒(精製後)を調製した。
Example 4
A cobalt catalyst (purified) of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 673 K and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(実施例5)
コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を773Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、実施例5のコバルト触媒(精製後)を調製した。
Example 5
A cobalt catalyst (purified) of Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 773 K and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(実施例6)
ケッチェンブラック担体の代わりにBP2000(キャボットジャパン株式会社製)を用い、コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を673Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、実施例6のコバルト触媒(精製後)を調製した。
Example 6
The cobalt catalyst (after purification) of Example 6 was prepared in the same manner as in Example 1, except that BP2000 (manufactured by Cabot Japan Co., Ltd.) was used instead of the Ketjen Black carrier, the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 673 K, and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(実施例7)
ケッチェンブラック担体の代わりにアセチレンブラック担体(デンカ株式会社製)を用い、コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を673Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、実施例7のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Example 7)
A cobalt catalyst (after purification) of Example 7 was prepared in the same manner as in Example 1, except that an acetylene black carrier (manufactured by Denka Co., Ltd.) was used instead of the Ketjen black carrier, the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was set to 673 K, and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(実施例8)
ケッチェンブラックの代わりにアクティブカーボン担体(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用い、コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を673Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、実施例8のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Example 8)
The cobalt catalyst (purified) of Example 8 was prepared in the same manner as in Example 1, except that an active carbon support (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of Ketjen black, the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was set to 673 K, and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(実施例9)
重量平均分子量が60000であるポリ(4-ビニルピリジン)の代わりに、重量平均分子量が81500であるポリ(4-ビニルピリジン)(シグマアルドリッチ製)を用い、コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を773Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、実施例9のコバルト触媒(精製後)を調製した。
Example 9
A cobalt catalyst (purified) of Example 9 was prepared in the same manner as in Example 1, except that poly(4-vinylpyridine) having a weight average molecular weight of 81,500 (manufactured by Sigma-Aldrich) was used instead of poly(4-vinylpyridine) having a weight average molecular weight of 60,000, the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was set to 773 K, and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(参考例1)
コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を973Kとした以外は実施例1と同様にして、参考例1のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Reference Example 1)
A cobalt catalyst (after purification) of Reference Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 973K.
(参考例2)
コバルト触媒前駆体の部分焼成の温度を973Kとし、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、参考例2のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Reference Example 2)
A cobalt catalyst (purified) of Reference Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature for partial calcination of the cobalt catalyst precursor was 973 K and washing of the cobalt catalyst (before purification) was not performed.
(参考例3)
重量平均分子量が60000であるポリ(4-ビニルピリジン)の代わりに、重量平均分子量が15000であるポリ(4-ビニルピリジン)(シグマアルドリッチ製)を用い、コバルト触媒(精製前)の洗浄を行わなかった以外は実施例1と同様にして、参考例3のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Reference Example 3)
A cobalt catalyst (purified) of Reference Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that poly(4-vinylpyridine) having a weight average molecular weight of 15,000 (manufactured by Sigma-Aldrich) was used instead of poly(4-vinylpyridine) having a weight average molecular weight of 60,000, and the cobalt catalyst (before purification) was not washed.
(比較例1)
コバルト触媒(精製前)の洗浄の際に、0.1Mの硝酸の代わりに0.5Mの硝酸を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例1のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Comparative Example 1)
A cobalt catalyst (after purification) of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.5 M nitric acid was used instead of 0.1 M nitric acid when washing the cobalt catalyst (before purification).
(比較例2)
硝酸コバルト6水和物の代わりに硝酸鉄(II)を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例2のコバルト触媒(精製後)を調製した。
(Comparative Example 2)
A cobalt catalyst (purified) of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that iron (II) nitrate was used instead of cobalt nitrate hexahydrate.
実施例1~9、参考例1~3、比較例1、2のコバルト触媒(生成後)の全コバルト担持量に対するCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比、酸化コバルトのモル比、金属コバルトのモル比を、以下の手順で求めた。粉末試料のコバルトK吸収端X線吸収端近傍スペクトルを測定し、スペクトルを線形結合フィッティングすることによりコバルト種の存在割合を同定した。それぞれのモル比を下記表1に示す。 The molar ratios of the complex portion having a Co-N 4 C bond, the molar ratio of cobalt oxide, and the molar ratio of metallic cobalt relative to the total amount of cobalt supported in the cobalt catalysts (after production) of Examples 1 to 9, Reference Examples 1 to 3, and Comparative Examples 1 and 2 were determined by the following procedure. The cobalt K-edge X-ray absorption edge vicinity spectrum of the powder sample was measured, and the abundance ratio of the cobalt species was identified by linear combination fitting of the spectrum. The respective molar ratios are shown in Table 1 below.
以下の手順によって、実施例1~9、参考例1~3、比較例1、2のコバルト触媒(精製後)を用いた電気化学反応評価セルを作製した。 Electrochemical reaction evaluation cells were produced using the cobalt catalysts (after purification) of Examples 1 to 9, Reference Examples 1 to 3, and Comparative Examples 1 and 2 by the following procedure.
(CO2還元側電極作製)
コバルト触媒(精製後)8mg、10重量%ナフィオン分散液(シグマアルドリッチ製)50μL、アセトン400μLを混合し、超音波照射によって攪拌することで触媒インクを得た。これを直径1.6cm、幾何学的表面積2cm2に切り出したカーボンペーパー(GDL-25-BC,SGL GROUP)の撥水層側に数回に分けて均一に塗布した。この電極を15分間減圧乾燥した。
(Preparation of CO2 reduction side electrode)
8 mg of cobalt catalyst (purified), 50 μL of 10 wt% Nafion dispersion (Sigma-Aldrich), and 400 μL of acetone were mixed and stirred by ultrasonic irradiation to obtain a catalyst ink. This was uniformly applied in several portions to the water-repellent layer side of carbon paper (GDL-25-BC, SGL GROUP) cut into a size of 1.6 cm in diameter and 2 cm2 in geometric surface area. This electrode was dried under reduced pressure for 15 minutes.
(酸化反応側電極作製)
20重量%のIrを担持させたケッチェンブラック粉末8gを10重量%ナフィオン溶液40μLとアセトン400μLと混合し、前項と同様にカーボンペーパーに担持した。
(Preparation of the oxidation reaction side electrode)
8 g of Ketjenblack powder carrying 20 wt % Ir was mixed with 40 μL of 10 wt % Nafion solution and 400 μL of acetone, and the mixture was carried on carbon paper in the same manner as in the previous section.
(イオン交換膜の前処理)
Nafion(登録商標)117(Du pont社製)を電解セルで必要とするサイズに切り出し、3%H2O2水中で1時間、イオン交換水中で1時間、2N硫酸中で1時間の順で加熱還流を行った。最後にイオン交換水で1時間加熱還流し、得られた膜はイオン交換水中で保管した。
(Pretreatment of ion exchange membrane)
Nafion (registered trademark) 117 (manufactured by Du Pont) was cut to the size required for the electrolysis cell, and heated and refluxed in 3% H2O2 water for 1 hour, ion-exchanged water for 1 hour, and 2N sulfuric acid for 1 hour in that order. Finally, it was heated and refluxed in ion-exchanged water for 1 hour, and the obtained membrane was stored in ion-exchanged water.
(膜・電極接合体作製)
上記の手順で処理したNafion膜を還元側、酸化側の触媒で挟み込み、413K、50MPaで10分間ホットプレスし、膜・電極接合体(MEA)を得た。ホットプレス後、MEAをイオン交換水に5分浸漬した。
(Membrane-electrode assembly fabrication)
The Nafion membrane treated by the above procedure was sandwiched between catalysts on the reduction side and the oxidation side, and hot pressed at 413 K and 50 MPa for 10 minutes to obtain a membrane electrode assembly (MEA). After hot pressing, the MEA was immersed in ion-exchanged water for 5 minutes.
(電気化学反応評価セル組上)
上記の通り作製したMEAを、孔をあけたテフロン(登録商標)板(厚さ1mm)を金メッシュ(くればぁ社製、99.9%)で包んだ形状の集電体を両側から接触させ、さらに別のテフロン枠でシールすることで陽極室と陰極室を隔離した。
(Electrochemical reaction evaluation cell assembly)
The MEA prepared as described above was brought into contact with a current collector on both sides, which was a perforated Teflon (registered trademark) plate (thickness 1 mm) wrapped in gold mesh (manufactured by Kureha Corporation, 99.9%), and the anode chamber and cathode chamber were isolated by sealing with another Teflon frame.
得られた電気化学反応評価セルを用いて、以下の手順で電気化学反応を行った。 The electrochemical reaction was carried out using the obtained electrochemical reaction evaluation cell according to the following procedure.
(電気化学反応)
陽極室には純水を、Nafion膜を伸ばした足の部分は0.5M H2SO4に浸漬し、Ag/AgCl参照極を飽和KCl溶液を液絡として介して接続した。陰極室にはCO2ガスを10ml/minで供給した。電気化学測定はポテンシオスタット(HZ-5000、北斗電工社製)を用いた。
(Electrochemical reaction)
The anode chamber was filled with pure water, the legs of the Nafion membrane were immersed in 0.5M H2SO4 , and the Ag/AgCl reference electrode was connected via a saturated KCl solution as a liquid junction. CO2 gas was supplied to the cathode chamber at 10 ml/min. A potentiostat (HZ-5000, Hokuto Denko Corporation) was used for electrochemical measurements.
-0.6V vs SHEの下で、電気化学反応を行った。生成したCO、H2についての評価を、以下の手順に従って行った。総ファラデー効率FE(FE(CO)+FE(H2))は100%であった。実施例、参考例、比較例のそれぞれにおけるCO生成速度およびCO生成ファラデー効率を表1に示す。
(生成物(CO)の評価)
陰極室からの出口ガスをオンラインガスクロマトグラフ(GC-8APT、島津製作所製、検出器:TCD、カラム:MS-5A、検出器温度210度、分析温度90℃)に注入し分析した。得られた濃度をCO2ガス供給速度や電極面積を加味することにより、CO生成速度r(CO)[μmol/h/cm2]を算出した。CO2からCOへの還元が2電子反応であることを考慮し、CO生成速度を以下の式に従ってCO生成電流密度j(CO)に換算した。
j(CO)[mA/cm2] = r(CO)[μmol/h/cm2] x 96485 [C/mol] x 2(反応電子数)x 1/3600 [s/h]
CO生成ファラデー効率は、全電流密度j を用いて以下の通り算出した。
FE(CO)=j(CO)/j × 100
(Evaluation of Product (CO))
The outlet gas from the cathode chamber was injected into an online gas chromatograph (GC-8APT, Shimadzu Corporation, detector: TCD, column: MS-5A, detector temperature 210°C,
j(CO) [mA/ cm2 ] = r(CO) [μmol/h/ cm2 ] x 96485 [C/mol] x 2 (number of reaction electrons) x 1/3600 [s/h]
The faradaic efficiency of CO production was calculated using the total current density j as follows:
FE(CO)=j(CO)/j×100
(生成物(H2)の評価)
陰極室からの出口ガスをガスタイトシリンジにて分取し、ガスクロマトグラフ(GC-8APT,島津製作所製、検出器:TCD、カラム:Active carbon、検出器温度150度、分析温度100℃)に注入し分析した。得られた濃度をCO2ガス供給速度や電極面積を加味することにより、CO生成速度r(H2)[μmol/h/cm2]を算出した。COの場合と同様にH2生成電流密度j(H2)、H2生成ファラデー効率FE(H2)を算出した。
(Evaluation of Product (H 2 ))
The outlet gas from the cathode chamber was collected using a gas-tight syringe and injected into a gas chromatograph (GC-8APT, Shimadzu Corporation, detector: TCD, column: Active carbon, detector temperature 150°C,
表1に示すように、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.3以上である実施例1~9の触媒を還元電極として用いたセルでは、CO生成のファラデー効率が高かった。また、実施例3および6と、参考例1~3とを比較すると、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.2以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.5以下であれば、CO生成のファラデー効率が実用に足るレベルとなることが示唆された。 As shown in Table 1, the faradaic efficiency of CO production was high in the cells using as the reduction electrode the catalysts of Examples 1 to 9 in which the molar ratio of the complex portion having a Co-N 4 C bond was 0.3 or more. Furthermore, a comparison of Examples 3 and 6 with Reference Examples 1 to 3 suggests that the faradaic efficiency of CO production will be at a practical level if the molar ratio of the complex portion having a Co-N 4 C bond is 0.2 or more and the molar ratio of metallic cobalt is 0.5 or less.
図2は、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比とCO生成のファラデー効率との関係を示すグラフである。図3は、酸化コバルトのモル比とH2生成のファラデー効率との関係を示すグラフである。図4は、金属コバルトのモル比とH2生成のファラデー効率との関係を示すグラフである。図2に示すように、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比0.3付近でCO生成のファラデー効率の大きな変化が見られた。また、図4に示すように、金属コバルトのモル比0.5付近でH2生成のファラデー効率の大きな変化が見られた。 Fig. 2 is a graph showing the relationship between the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond and the faradaic efficiency of CO generation. Fig. 3 is a graph showing the relationship between the molar ratio of cobalt oxide and the faradaic efficiency of H 2 generation. Fig. 4 is a graph showing the relationship between the molar ratio of metallic cobalt and the faradaic efficiency of H 2 generation. As shown in Fig. 2, a large change in the faradaic efficiency of CO generation was observed when the molar ratio of the complex part having a Co-N 4 C bond was around 0.3. Also, as shown in Fig. 4, a large change in the faradaic efficiency of H 2 generation was observed when the molar ratio of metallic cobalt was around 0.5.
10 CO2還元システム
12 還元電極
14 酸化電極
16 電源
10 CO2
Claims (7)
下記一般式(1):
で表される化合物、および
前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有し、前記一般式(1)中、R1~R5のうち1つのアルキル基が主鎖であり、複素芳香環が側鎖であるポリマー、および
下記一般式(2):
で表される化合物からなる群より選択され、前記カーボン担体に担持されている窒素含有複素芳香環化合物と、
前記窒素含有複素芳香環化合物の複素芳香環上の窒素原子4つと配位しているコバルトイオンと、
を含み、
全コバルト担持量に対するCo-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.3以上であるか、または
全コバルト担持量に対して、Co-N4C結合をもつ錯体部のモル比が0.2以上であり、かつ金属コバルトのモル比が0.5以下であることを特徴とするCO2還元用電極触媒。 A porous carbon support exhibiting electrical conductivity;
The following general formula (1):
A compound represented by the following general formula ( 2 ):
A nitrogen-containing heteroaromatic ring compound supported on the carbon support, the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound being selected from the group consisting of compounds represented by the formula:
a cobalt ion coordinated to four nitrogen atoms on a heteroaromatic ring of the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound;
Including,
An electrode catalyst for reducing CO2, characterized in that the molar ratio of the complex portion having a Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is 0.3 or more, or the molar ratio of the complex portion having a Co-N 4 C bond to the total amount of supported cobalt is 0.2 or more and the molar ratio of metallic cobalt is 0.5 or less.
で表される化合物、および
前記一般式(1)で表される繰り返し単位を有し、前記一般式(1)中、R1~R5のうち1つのアルキル基が主鎖であり、複素芳香環が側鎖であるポリマー、および
下記一般式(2):
で表される化合物からなる群より選択される窒素含有複素芳香環化合物をコバルトイオンに配位させ、前記コバルトイオンに配位させた前記窒素含有複素芳香環化合物を、導電性を示す多孔質のカーボン担体に吸着させ、焼成することを特徴とする請求項1または2に記載のCO2還元用電極触媒の製造方法。 The following general formula (1):
A compound represented by the following general formula ( 2 ):
The method for producing an electrode catalyst for CO2 reduction according to claim 1 or 2, characterized in that a nitrogen-containing heteroaromatic ring compound selected from the group consisting of compounds represented by the following formula (I) is coordinated to a cobalt ion, and the nitrogen-containing heteroaromatic ring compound coordinated to the cobalt ion is adsorbed onto a porous carbon support exhibiting electrical conductivity, and then calcined.
酸化電極と、
前記CO2還元電極と前記酸化電極との間に接続された電源と、
を含むことを特徴とするCO2還元システム。 The CO2 reduction electrode according to claim 5,
An oxidation electrode;
A power source connected between the CO2 reduction electrode and the oxidation electrode;
A CO2 reduction system comprising:
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