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JP7287234B2 - CO2 reduction reactor - Google Patents
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JP7287234B2 JP2019185214A JP2019185214A JP7287234B2 JP 7287234 B2 JP7287234 B2 JP 7287234B2 JP 2019185214 A JP2019185214 A JP 2019185214A JP 2019185214 A JP2019185214 A JP 2019185214A JP 7287234 B2 JP7287234 B2 JP 7287234B2
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Description

本発明は、カソードにおいてCO還元反応を生起するCO還元反応装置に関する。 The present invention relates to a CO2 reduction reactor for generating a CO2 reduction reaction at the cathode.

従来、COの還元反応を生起するCO還元反応装置として各種のものが提案されている。例えば、COを溶解させた電解液中に、所定の電圧を印加したアノードおよびカソードを浸漬し、カソードにおいてCO還元反応を生起するものが多くある。 Conventionally, various devices have been proposed as CO 2 reduction reactors for causing a CO 2 reduction reaction. For example, in many cases, an anode and a cathode to which a predetermined voltage is applied are immersed in an electrolytic solution in which CO2 is dissolved, and a CO2 reduction reaction occurs at the cathode.

非特許文献1には、COをガスで供給し、ガス拡散膜を用いてガスと電解液と隔てておき、ガス拡散膜を介してCOを電解液中に拡散してCOを還元することが示されている。このようなCOの還元によって、CO、CH4、CH4、H、COHが生成できる。 In Non-Patent Document 1, CO2 is supplied as a gas, and a gas diffusion membrane is used to separate the gas from the electrolyte, and the CO2 is diffused into the electrolyte through the gas diffusion membrane to reduce the CO2. shown to do. Such reduction of CO2 can produce CO, CH4, C2H4 , H2 , C2H5OH .

特許文献1には、COを加圧下で触媒と接触させ、COなどを生成することが示されている。COの圧力を制御することでCO濃度を制御し、COと水素の生成量を制御することができる。 Patent Literature 1 shows that CO 2 is brought into contact with a catalyst under pressure to produce CO and the like. By controlling the pressure of CO2 , the concentration of CO2 can be controlled, and the amount of CO and hydrogen produced can be controlled.

非特許文献2には、低濃度のCO含有ガスを利用してCOを生成することが示されている。 Non-Patent Document 2 shows the production of CO using a low-concentration CO 2 -containing gas.

特開2014-62038号公報JP 2014-62038 A

Qingxin Jia et al, “Direct Gas-phase CO2 Reduction for Solar Methane Generation Using a Gas Diffusion Electrode with a BiVO4:Mo and a Cu-In-Se Photoanode”, Chem. Lett. 2018, 47, 436-439Qingxin Jia et al, “Direct Gas-phase CO2 Reduction for Solar Methane Generation Using a Gas Diffusion Electrode with a BiVO4:Mo and a Cu-In-Se Photoanode”, Chem. Lett. 2018, 47, 436-439 “Electrocatalytic reduction of low concentration CO2”, Chem. Sci., 2019,10, 1597-1606"Electrocatalytic reduction of low concentration CO2", Chem. Sci., 2019, 10, 1597-1606

ここで、COを溶解させた電解液中では、COの低い拡散率のため、低濃度のCOではカソード電極へのCO供給が不十分になり、CO還元のファラデー効率が低下する。 Here, in the electrolyte with dissolved CO2 , due to the low diffusivity of CO2 , at low concentrations of CO2 , the CO2 supply to the cathode electrode becomes insufficient and the faradaic efficiency of CO2 reduction decreases. do.

非特許文献1ではCu系触媒およびAg系触媒を利用している。この場合、還元生成物選択性は低く、上述のように様々な物質が同時に生成し、特定物質のファラデー効率を高くすることはできない。 Non-Patent Document 1 uses a Cu-based catalyst and an Ag-based catalyst. In this case, reduction product selectivity is low, various substances are produced at the same time as described above, and the Faraday efficiency of a specific substance cannot be increased.

特許文献1では、高濃度のCOガスを利用することを前提としており、工場の排ガスなど低濃度のCOのガスについて、還元反応をうまく制御することはできない。 Patent Document 1 is based on the assumption that high-concentration CO 2 gas is used, and the reduction reaction cannot be well controlled for low-concentration CO 2 gas such as factory exhaust gas.

非特許文献2では、低濃度から高濃度のCOも還元できるが生成物はCOのガスである。このため、室温で液体状態であるギ酸のように貯蔵が容易ではない。 In Non-Patent Document 2, low to high concentrations of CO 2 can also be reduced, but the product is CO gas. Therefore, it is not as easy to store as formic acid, which is liquid at room temperature.

工場排ガスのCO濃度は10%から100%までと幅広く、応用のためには広帯域の濃度で動作するCO還元装置が必要である。これまでのCO還元装置に関する多くの研究では、CO濃度は100%に限定されたものになっている。 The CO 2 concentration of factory exhaust gas varies widely from 10% to 100%, and the application requires a CO 2 reduction device that operates over a wide range of concentrations. Most previous studies on CO2 reducers have limited the CO2 concentration to 100%.

本発明に係るCO還元反応装置は、電解液中に配置されるアノード電極と、一方側が前記電解液、他方側がCO含有ガスに接するように配置され、気液分離膜として機能するとともに、多孔質であって導電性を有するカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加する電源と、を含み、前記カソード電極は、多孔質導電体からなる基材にRu錯体またはRu錯体ポリマーを還元触媒として担持して構成され、前記電解液中のプロトンと、前記カソード電極からの電子と、前記他方側からのCOとの間で、CO還元反応が起こり、有機物が合成される。 The CO 2 reduction reaction apparatus according to the present invention is arranged such that an anode electrode arranged in an electrolytic solution, one side is in contact with the electrolytic solution, and the other side is in contact with the CO 2 -containing gas, and functions as a gas-liquid separation membrane, a porous and conductive cathode electrode; and a power source for applying a voltage between the anode electrode and the cathode electrode. Alternatively, a Ru complex polymer is supported as a reduction catalyst, and a CO2 reduction reaction occurs between the protons in the electrolytic solution, the electrons from the cathode electrode, and the CO2 from the other side, resulting in an organic substance is synthesized.

前記多孔質導電体は、カーボンペーパー、多孔質な金属、導電性のカーボンや金属をコーティングした多孔質ガラスの中から選ばれた1つ以上のもので構成されるとよい。 The porous conductor may be made of one or more materials selected from carbon paper, porous metal, and porous glass coated with conductive carbon or metal.

前記カソード電極は、前記基材にRu錯体またはRu錯体ポリマーとカーボンナノチューブを担持して構成されているとよい。 It is preferable that the cathode electrode is configured by supporting a Ru complex or Ru complex polymer and carbon nanotubes on the base material.

前記カソード電極は、水平方向に配置され、下側が前記電解液、上側が前記CO含有ガスに接するとよい。 The cathode electrode may be arranged horizontally, with a lower side contacting the electrolyte and an upper side contacting the CO2 - containing gas.

本発明によれば、CO含有ガスからのCOを供給する。気体分子の気相における拡散速度は、液体中における拡散速度に比べ、10程度大きいため、CO濃度が低くても、ギ酸生成のファラデー効率を高く維持できる。また、Ru錯体またはRu錯体ポリマーの高いギ酸生成選択性能により、ギ酸のファラデー効率を高くすることができる。 According to the invention, CO2 is supplied from a CO2 - containing gas. Since the diffusion rate of gas molecules in the gas phase is about 10 4 higher than that in the liquid, the Faraday efficiency of formic acid production can be maintained high even at low CO 2 concentrations. In addition, the high formic acid production selectivity of the Ru complex or Ru complex polymer can increase the Faradaic efficiency of formic acid.

実施形態に係るCO還元装置の構成(実験に用いた装置の構成)の概略を示す図である。1 is a diagram showing an outline of the configuration of a CO 2 reduction device according to an embodiment (configuration of a device used in experiments); FIG. 気相/液相還元反応を用いた小型セルにおけるカソード電極の電流(電流密度:Current density(mA/cm2))vs電位(Potential)測定の結果である。It is the result of the current (Current density (mA/cm 2 )) vs. potential measurement of the cathode electrode in a small cell using a gas phase/liquid phase reduction reaction. 気液CO還元反応電流(電流密度:Current density(mA/cm2))のCO濃度と反応時間(Time(sec))依存性(定電位:-0.37V (vs.RHE)を印加)である。CO 2 concentration and reaction time (Time (sec)) dependence of gas-liquid CO 2 reduction reaction current (current density (mA/cm 2 )) (constant potential: -0.37 V (vs. RHE) applied ). 気相/液相還元反応を用いた小型セルにおけるギ酸生成のファラデー効率(Faradaic efficiency(%))をCO濃度(CO2concentration(%))に対してプロットしたグラフである。Figure 2 is a graph plotting the Faradaic efficiency (%) of formic acid production in a small cell using gas/liquid phase reduction reactions versus CO2 concentration (%). CO還元反応装置の他の構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another configuration example of a CO 2 reduction reactor.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. It should be noted that the invention is not limited to the embodiments described herein.

本実施形態では、COから液体であるギ酸への変換の選択性が高いRu錯体またはRu錯体ポリマーを、気液分離機能を兼ねたカーボンペーパーに担持してカソード電極とする。そして、カソード電極の一方側は電解液を介しアノード電極と対向させ、他方側にはCOをガスで供給することで、カソード電極において低濃度から高濃度までのCO還元を可能とする。 In the present embodiment, a Ru complex or Ru complex polymer, which has a high selectivity for converting CO 2 to liquid formic acid, is supported on carbon paper that also functions as a gas-liquid separation to form a cathode electrode. One side of the cathode electrode is opposed to the anode electrode through the electrolyte, and CO 2 gas is supplied to the other side to enable CO 2 reduction from low concentration to high concentration at the cathode electrode.

「構成例」
図1は、実施形態に係るCO還元装置の構成(実験に用いた装置の構成)の概略を示す図である。
"Configuration example"
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of a CO 2 reduction device according to an embodiment (the configuration of the device used in experiments).

反応槽10には、電解液が収容されている。反応槽10の上壁の一部に上方に膨出された膨出部12が設けられる。膨出部12の上面は平坦で水平方向を向いており、その中央に周辺領域を残して開口16が設けられる。 The reaction tank 10 contains an electrolytic solution. A bulging portion 12 that bulges upward is provided on a portion of the upper wall of the reaction vessel 10 . The upper surface of the bulge 12 is flat and horizontally oriented, and an opening 16 is provided in the center thereof leaving a peripheral area.

そして、開口16の上側を覆うように、カソード電極18が配置される。カソード電極18の下面は開口16を介し反応槽10内の電解液と接触する。カソード電極18も水平方向を向いている。カソード電極18は、開口16より大きく、開口16の全体を覆っており、開口16の周辺の膨出部12の上面とカソード電極18の間にはシール材20が配置され、電解液が周辺に漏れないようにシールされている。カソード電極18は、気液分離膜として機能する。 A cathode electrode 18 is arranged to cover the upper side of the opening 16 . The bottom surface of the cathode electrode 18 is in contact with the electrolyte in the reaction vessel 10 through the opening 16 . The cathode electrode 18 is also oriented horizontally. The cathode electrode 18 is larger than the opening 16 and covers the entire opening 16. A sealing material 20 is arranged between the upper surface of the bulging portion 12 around the opening 16 and the cathode electrode 18, so that the electrolytic solution can flow around. Sealed to prevent leakage. The cathode electrode 18 functions as a gas-liquid separation membrane.

また、カソード電極18の上側には、CO含有ガスを収容するCOガス容器22が設けられている。CO含有ガスにおけるCOの含有量は、100%でもよいが、10%程度でも構わない。この例では、COガス容器22内にCO含有ガスが循環される。 A CO 2 gas container 22 containing a CO 2 -containing gas is provided above the cathode electrode 18 . The content of CO 2 in the CO 2 -containing gas may be 100%, or may be about 10%. In this example, a CO 2 -containing gas is circulated in the CO 2 gas container 22 .

COガス容器22の下部には、反応槽10の膨出部12に対応した形状で、下方に膨出する膨出部24が設けられる。膨出部24における、反応槽10の開口16に対応した位置には、開口26が設けられ、したがってカソード電極18の上面がCOガス容器22内のCO含有ガスと接触する。すなわち、カソード電極18が開口26の周辺の膨出部24の下面とカソード電極18の間にはシール材28が配置され、COガスが周辺に漏れないようにシールされている。 At the bottom of the CO 2 gas container 22 , a bulging portion 24 that bulges downward in a shape corresponding to the bulging portion 12 of the reaction tank 10 is provided. An opening 26 is provided in the bulging portion 24 at a position corresponding to the opening 16 of the reaction vessel 10 , so that the upper surface of the cathode electrode 18 comes into contact with the CO 2 -containing gas in the CO 2 gas container 22 . That is, a sealing material 28 is arranged between the cathode electrode 18 and the lower surface of the bulging portion 24 around the opening 26 to seal the cathode electrode 18 so that the CO 2 gas does not leak to the surroundings.

反応槽10内には、アノード電極30と参照電極32が配置され、これらが電解液中に浸漬されている。 An anode electrode 30 and a reference electrode 32 are placed in the reaction bath 10 and immersed in the electrolytic solution.

そして、カソード電極18、アノード電極30、参照電極32は、別に設けられた電源としてのポテンショスタット34に接続されており、各電極の電位がポテンショスタット34によって制御される。 The cathode electrode 18, the anode electrode 30, and the reference electrode 32 are connected to a separately provided potentiostat 34 as a power source, and the potential of each electrode is controlled by the potentiostat 34.

カソード電極18には、多孔質導電体が基材として用いられ、カソード電極18を介して、COガス容器22内のCO含有ガスが電解液中に溶解拡散する。また、カソード電極18の基材には、CO還元触媒が担持されており、このCO還元触媒としてはRu錯体またはRu錯体ポリマーが用いられる。カソード電極18の基材としては、カーボンペーパー、多孔質な金属、導電性のカーボンや金属をコーティングした多孔質ガラスの中から選ばれた1つ以上のもので構成されるとよい。 A porous conductor is used as a base material for the cathode electrode 18 , and the CO 2 -containing gas in the CO 2 gas container 22 dissolves and diffuses into the electrolyte through the cathode electrode 18 . The base material of the cathode electrode 18 supports a CO 2 reduction catalyst, and Ru complex or Ru complex polymer is used as the CO 2 reduction catalyst. The base material of the cathode electrode 18 is preferably composed of one or more materials selected from carbon paper, porous metal, and porous glass coated with conductive carbon or metal.

電解液や、アノード電極30、参照電極32については、公知のCO還元装置において採用される各種物質を利用することができる。例えば、電解液としてはリン酸バッファ、アノード電極30としては白金(Pt)、参照電極32には銀・塩化銀(Ag/AgCl)などが利用される。なお、参照電極32は、実装置においては不要である。 As for the electrolyte, anode electrode 30, and reference electrode 32, various substances employed in known CO 2 reduction devices can be used. For example, a phosphoric acid buffer is used as the electrolyte, platinum (Pt) is used as the anode electrode 30, and silver/silver chloride (Ag/AgCl) is used as the reference electrode 32. Note that the reference electrode 32 is unnecessary in the actual device.

このような装置において、アノード電極30、カソード電極18間に所定の電圧を印加することで、カソード電極18において、CO還元反応が生起される。すなわち、電解液中のプロトンと、前記カソード電極からの電子と、前記他方側からのCOとの間で、CO還元反応が起こり、有機物、特にギ酸が合成される。 By applying a predetermined voltage between the anode electrode 30 and the cathode electrode 18 in such an apparatus, a CO 2 reduction reaction occurs at the cathode electrode 18 . That is, a CO2 reduction reaction occurs between the protons in the electrolyte, the electrons from the cathode electrode, and the CO2 from the other side to synthesize organic matter, especially formic acid.

ここで、本実施形態によれば、カソード電極18が多孔質導電体で、下側に電解液、上側にCOガスが存在し、上側のCOが電解液中に溶解する。このようにして、電解液中にCOガスの還元物としてのギ酸が得られる。 Here, according to the present embodiment, the cathode electrode 18 is a porous conductor, the electrolytic solution exists on the lower side, the CO2 gas exists on the upper side, and the CO2 on the upper side dissolves in the electrolytic solution. In this way, formic acid is obtained as a reduction product of CO2 gas in the electrolyte.

気体分子の気相における拡散速度は、液体中における拡散速度に比べ、10程度大きいため、CO濃度が低くても、効果的なCO還元反応を生起できる。従って、工場の排気などを対象として、効果的なCO還元を行うことが可能となる。 Since the diffusion rate of gas molecules in gas phase is about 10 4 higher than that in liquid, effective CO 2 reduction reaction can occur even at low CO 2 concentration. Therefore, it becomes possible to effectively reduce CO 2 for factory exhaust gas and the like.

また、カソード電極18の基材としてカーボンペーパーを用い、ここにRu錯体またはRu錯体ポリマーを担持することで、広いCO濃度範囲で高いギ酸生成選択性能を得ることができ、高いファラデー効率でギ酸を生成することができる。 In addition, by using carbon paper as the base material of the cathode electrode 18 and supporting Ru complex or Ru complex polymer on it, high formic acid production selectivity can be obtained in a wide range of CO 2 concentration, and formic acid can be produced with high Faradaic efficiency. can be generated.

なお、反応槽10内の電解液の液位をカソード電極18の位置に保つためには、液位計を設けて電解液の供給を制御したり、越流堰などを設けて液位を制御したりすることができる。また、カソード電極18における表面張力を考慮して、液位を決定することも好適である。 In order to maintain the liquid level of the electrolyte in the reaction vessel 10 at the position of the cathode electrode 18, a liquid level gauge is provided to control the supply of the electrolyte, or an overflow weir is provided to control the liquid level. You can It is also preferable to determine the liquid level in consideration of the surface tension in the cathode electrode 18 .

[実験例の説明]
図1に示す実験装置構成で電気化学測定を行い、ギ酸生成のファラデー効率のCO濃度依存性を求めた。
[Description of Experimental Example]
Electrochemical measurements were performed with the experimental setup shown in Fig. 1 to determine the CO2 concentration dependence of the Faradaic efficiency of formic acid production.

カソード電極18のギ酸ファラデー効率は、図1に示すような反応槽10とCOガス容器22とを、カソード電極18を介して接続した装置を用いて電気化学測定を行い、定量したギ酸量から算出した。 The faradaic formic acid efficiency of the cathode electrode 18 is determined by electrochemical measurement using an apparatus in which the reaction vessel 10 and the CO 2 gas container 22 as shown in FIG. Calculated.

カソード電極18の作製方法を以下に示す。カーボンペーパーにマルチウォールカーボンナノチューブ分散溶液を塗布して乾燥させてカーボン基材とした。カーボンナノチューブを付着させることで表面積を高め、また触媒の性能を高めることができる。 A method for manufacturing the cathode electrode 18 will be described below. A carbon paper was coated with the multi-walled carbon nanotube dispersion solution and dried to obtain a carbon substrate. By attaching carbon nanotubes, the surface area can be increased and the performance of the catalyst can be improved.

次に、Ru錯体モノマー、ピロールと塩化鉄を用いて重合したRu錯体ポリマーのアセトニトリル溶液を、上記カーボン基材に塗布した。ここでRu錯体モノマーは[Ru(C3pyrrol-dcbpy)(CO)Cl]である。その後、溶媒(アセトニトリル)を除去することでRu錯体ポリマーを担持したカソード電極18を得た。 Next, an acetonitrile solution of an Ru complex monomer, a Ru complex polymer polymerized using pyrrole and iron chloride was applied to the carbon substrate. Here, the Ru complex monomer is [Ru(C3pyrrol-dcbpy)(CO) 2 Cl 2 ]. After that, the solvent (acetonitrile) was removed to obtain the cathode electrode 18 supporting the Ru complex polymer.

反応槽10と、COガス容器22の境界にカソード電極18を挟んで両室を隔てた。接続部分の気密性を保つため、カソード電極18の上下の両室との間にはシール材20,28を挟んだ。シール材20,28は、プラスチック板を2枚のシリコーンゴムで挟んだもので、それぞれの中心部に10mm×10mmの貫通穴が開いている。カソード電極18の集電にはシール材20,28とカソード電極18で挟み込んだCuテープを用いた。 A cathode electrode 18 was sandwiched between the reactor 10 and the CO 2 gas container 22 to separate the two chambers. Sealing materials 20 and 28 were sandwiched between the upper and lower chambers of the cathode electrode 18 in order to keep the connecting portion airtight. The seal members 20 and 28 are made by sandwiching a plastic plate between two sheets of silicone rubber, each having a through hole of 10 mm×10 mm at the center. A Cu tape sandwiched between sealing materials 20 and 28 and the cathode electrode 18 was used for current collection of the cathode electrode 18 .

対極であるアノード電極30にはPtワイヤー、参照電極32にはAg/AgCl電極を用いた。電解液は、KHPOとKHPOで調整した0.1Mのリン酸緩衝液(pH6.8)で、それをカソード電極18に触れるまで反応槽10に注液した。 A Pt wire was used as the anode electrode 30 as a counter electrode, and an Ag/AgCl electrode was used as the reference electrode 32 . The electrolytic solution was a 0.1 M phosphate buffer (pH 6.8) prepared with K 2 HPO 4 and KH 2 PO 4 and injected into the reaction vessel 10 until it touched the cathode electrode 18 .

COガス容器22には、所定の濃度になるように調整したCO含有ガスを流し入れた。実験で用いた濃度は100、50、20、10、5%で、Nで希釈することで作製した。 A CO 2 -containing gas adjusted to a predetermined concentration was flowed into the CO 2 gas container 22 . The concentrations used in the experiments were 100, 50, 20, 10, 5% and were made by diluting with N2 .

測定手順を以下に示す。最初に濃度100%のCOガスを30分間、COガス容器22中に流し、その後印加電位0.6V~-1.0V(vsRHE)の範囲で電流-電位測定を行った。続いて印加電位-0.37V(vs.RHE)の定電位測定を30分間行った。 The measurement procedure is shown below. First, CO 2 gas with a concentration of 100% was flowed into the CO 2 gas container 22 for 30 minutes, and then current-potential measurement was performed in the applied potential range of 0.6 V to -1.0 V (vs RHE). Subsequently, constant potential measurement was performed at an applied potential of −0.37 V (vs. RHE) for 30 minutes.

測定後、ギ酸定量のため電解液をサンプリングした。ばらつきを考慮して2回サンプルを採った。その後再び定電位測定を30分間行い、同様に電解液を2回サンプリングした。続いてCOガスの濃度を50%に変更し30分間COガス容器22中に流した。100%の場合と同様に-0.37V(vs.RHE)の定電位測定を行い、30分ごとに電解液を2回サンプリングした。同様の手順で20、10、5%のガス中の定電位測定と電解液のサンプリングを行った。サンプリングした電解液中のギ酸量はイオンクロマトグラフィで定量して、ギ酸生成のファラデー効率を算出した。 After the measurement, the electrolyte was sampled for quantitative determination of formic acid. Duplicate samples were taken to account for variability. After that, the constant potential measurement was performed again for 30 minutes, and the electrolytic solution was similarly sampled twice. Subsequently, the concentration of CO 2 gas was changed to 50%, and the gas was allowed to flow into the CO 2 gas container 22 for 30 minutes. As in the case of 100%, constant potential measurement was performed at −0.37 V (vs. RHE), and the electrolytic solution was sampled twice every 30 minutes. Constant potential measurements in 20, 10, and 5% gases and sampling of the electrolytic solution were performed in the same manner. The amount of formic acid in the sampled electrolyte was quantified by ion chromatography, and the Faradaic efficiency of formic acid production was calculated.

[実験結果]
図2は気相/液相還元反応を用いた小型セルにおけるカソード電極の電流(電流密度:Current density(mA/cm2))vs電位(Potential)測定の結果である。図3は気液CO還元反応電流(電流密度:Current density(mA/cm2))のCO濃度と反応時間(Time(sec))依存性(定電位:-0.37V (vs.RHE))である。
[Experimental result]
FIG. 2 shows the results of current (current density (mA/cm 2 )) versus potential measurement of a cathode electrode in a small cell using a gas phase/liquid phase reduction reaction. Figure 3 shows the CO 2 concentration and reaction time (Time (sec)) dependence of the gas-liquid CO 2 reduction reaction current (current density (mA/cm 2 )) (constant potential: -0.37 V (vs. RHE )).

30分ごとに観測されるスパイクは、測定開始時と停止時の過渡電流である。CO濃度が低くなると電流は低下した。これは反応基質であるCO濃度が低下するとCO還元反応確率が低下するためと考えられる。各濃度において1時間の測定中に顕著な電流低下は見られない。 The spikes observed every 30 minutes are transient currents at the start and stop of the measurement. The current decreased as the CO2 concentration decreased. It is considered that this is because the CO 2 reduction reaction probability decreases when the concentration of CO 2 , which is a reaction substrate, decreases. No significant current drop is seen during the 1 hour measurement at each concentration.

図4は気相/液相還元反応を用いた小型セルにおけるギ酸生成のファラデー効率(Faradaic efficiency(%))をCO濃度(CO2concentration(%))に対してプロットしたグラフである。この値は、定電位測定30分時の2サンプルと1時間時の2サンプルのすべての値を平均化している。CO濃度100%から20%の範囲ではファラデー効率はほぼ一定で80%以上であった。10%、5%になると減少傾向を示したが、それでも60%以上のファラデー効率を保っており、広いCO濃度に対して高いギ酸変換が可能であることが分かる。 FIG. 4 is a graph plotting the Faradaic efficiency (%) of formic acid production in a small cell using gas phase/liquid phase reduction reaction against CO 2 concentration (%). This value is the average of all the values of two samples at 30 minutes of potentiostatic measurement and two samples at 1 hour. The faradaic efficiency was almost constant above 80% in the CO 2 concentration range of 100% to 20%. At 10% and 5%, it showed a decreasing trend, but still maintained a Faraday efficiency of 60% or more, indicating that high formic acid conversion is possible over a wide range of CO 2 concentrations.

「他の構成例」
図5は、CO還元反応装置の他の構成例を示す図である。このように、反応槽10内には、アノード電極30が浸漬される。一方、カソード電極18は、フロート40によって水面に支持される。フロート40は、円筒状のものでもよいし、球状のものでもよく、断面円形でなくてもよい。また、フロート40を設ける場所は任意である。
"Other configuration examples"
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the CO 2 reduction reactor. Thus, the anode electrode 30 is immersed in the reaction bath 10 . On the other hand, the cathode electrode 18 is supported on the water surface by the float 40 . The float 40 may be cylindrical, spherical, or non-circular in cross section. Moreover, the place where the float 40 is provided is arbitrary.

フロート40の浮力とカソード電極の重量を設定することで、多孔質のカソード電極18のほぼ上面に電解液の液面が位置する。また、反応槽10を雰囲気がCO含有ガスである場所に設置することで、カソード電極18の上面および電解液液面はCO含有ガスに接触する。この状態で、電源42によって、アノード電極30、カソード電極18間に所定の電圧を印加することで、COがカソード電極18の近傍の電解液に溶解し、上述の場合と同様のCO還元反応を生起して、ギ酸を生成することができる。 By setting the buoyancy of the float 40 and the weight of the cathode electrode, the liquid surface of the electrolytic solution is positioned substantially above the porous cathode electrode 18 . In addition, by installing the reaction tank 10 in a place where the atmosphere is a CO 2 -containing gas, the upper surface of the cathode electrode 18 and the liquid surface of the electrolyte come into contact with the CO 2 -containing gas. In this state, by applying a predetermined voltage between the anode electrode 30 and the cathode electrode 18 by the power supply 42, CO2 is dissolved in the electrolyte near the cathode electrode 18, and CO2 is reduced in the same manner as described above. A reaction can occur to produce formic acid.

この例の場合、電解液の液位が変化しても、カソード電極18が液面に保持されるという効果が得られる。また、広帯域のCO濃度で、ギ酸生成のファラデー効率を高く維持することができる。 In the case of this example, even if the liquid level of the electrolyte changes, the effect that the cathode electrode 18 is held at the liquid level is obtained. Also, the Faradaic efficiency of formic acid production can be kept high over a broad band of CO2 concentrations.

「実施形態における作用・効果」
気体分子の気相における拡散速度は、液体中における拡散速度に比べ、10程度大きい。このため、CO濃度が低くても、ギ酸生成のファラデー効率を高く維持できる。また、Ru錯体またはRu錯体ポリマーによる広い濃度範囲のCOの高いギ酸生成選択性能により、ギ酸のファラデー効率を高く維持できる。
"Actions and effects in the embodiment"
The diffusion rate of gas molecules in the gas phase is about 10 4 higher than the diffusion rate in liquid. Therefore, the faradaic efficiency of formic acid production can be maintained high even at low CO2 concentrations. In addition, the high formic acid generation selectivity of CO 2 over a wide concentration range by the Ru complex or Ru complex polymer can keep the Faradaic efficiency of formic acid high.

10 反応槽、12,24 膨出部、16,26 開口、18 カソード電極、20,28 シール材、22 COガス容器、30 アノード電極、32 参照電極、34 ポテンショスタット(電源)、40 フロート、42 電源。
10 reaction vessel, 12,24 bulging part, 16,26 opening, 18 cathode electrode, 20,28 sealing material, 22 CO 2 gas container, 30 anode electrode, 32 reference electrode, 34 potentiostat (power supply), 40 float, 42 power supply.

Claims (4)

電解液中に配置されるアノード電極と、
一方側が前記電解液、他方側がCO含有ガスに接するように配置され、気液分離膜として機能するとともに、多孔質であって導電性を有するカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加する電源と、
を含み、
前記カソード電極は、多孔質導電体からなる基材にRu錯体またはRu錯体ポリマーを還元触媒として担持して構成され、
前記電解液中のプロトンと、前記カソード電極からの電子と、前記他方側からのCOとの間で、CO還元反応が起こり、有機物が合成される、
CO還元反応装置。
an anode electrode disposed in an electrolyte;
a cathode electrode which is arranged so that one side is in contact with the electrolyte and the other side is in contact with the CO 2 -containing gas, functions as a gas-liquid separation membrane, and is porous and conductive;
a power source that applies a voltage between the anode electrode and the cathode electrode;
including
The cathode electrode is configured by supporting a Ru complex or Ru complex polymer as a reduction catalyst on a substrate made of a porous conductor,
A CO2 reduction reaction occurs between the protons in the electrolyte, the electrons from the cathode electrode, and the CO2 from the other side to synthesize an organic substance.
CO2 reduction reactor.
請求項1に記載のCO還元反応装置であって、
前記多孔質導電体は、カーボンペーパー、多孔質な金属、導電性のカーボンや金属をコーティングした多孔質ガラスの中から選ばれた1つ以上のもので構成される、
CO還元反応装置。
A CO2 reduction reactor according to claim 1, comprising:
The porous conductor is composed of one or more selected from carbon paper, porous metal, and porous glass coated with conductive carbon or metal.
CO2 reduction reactor.
請求項1または2に記載のCO還元反応装置であって、
前記カソード電極は、前記基材にRu錯体またはRu錯体ポリマーとカーボンナノチューブを担持して構成されている、
CO還元反応装置。
A CO2 reduction reactor according to claim 1 or 2, comprising:
The cathode electrode is configured by supporting a Ru complex or Ru complex polymer and carbon nanotubes on the base material,
CO2 reduction reactor.
請求項1~3のいずれか1つに記載のCO還元反応装置であって、
前記カソード電極は、水平方向に配置され、下側が前記電解液、上側が前記CO含有ガスに接する、
CO還元反応装置。
A CO 2 reduction reactor according to any one of claims 1 to 3,
The cathode electrode is arranged in a horizontal direction and contacts the electrolytic solution on the lower side and the CO2 - containing gas on the upper side.
CO2 reduction reactor.
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