JP7583418B2 - METHOD FOR PRODUCING METAL CARBIDE AND HYDROCARBON, AND CARBON-CONTAINING COMPONENT - Google Patents
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Description
本発明は、金属カーバイドおよび炭化水素の製造方法、ならびに炭素含有部材に関する。 The present invention relates to a method for producing metal carbides and hydrocarbons, and a carbon-containing component.
アセチレンは、様々な有機化合物の原料として、工業的に重要な物質である。アセチレンは、通常、金属カーバイド(主に、カルシウムカーバイド)と水との反応により得られる。 Acetylene is an industrially important substance as a raw material for various organic compounds. It is usually obtained by reacting metal carbide (mainly calcium carbide) with water.
カルシウムカーバイドは、一般に、生石灰(酸化カルシウム)とコークスとの混合物を、電気炉内で高温に加熱することにより得られる(例えば、特許文献1)。特許文献2は、カルシウムカーバイドの製造に関し、コークスを予めブリケットにしてから生石灰と混合することを提案している。特許文献3は、塩化リチウムを溶融電解して得られる金属リチウムと、カーボンブラック等の炭素粉末とを反応させて、リチウムカーバイドを製造する方法を提案している。非特許文献1は、水酸化リチウムを溶融塩電解して得られた金属リチウムと、二酸化炭素等の炭素源とを反応させて、リチウムカーバイドを製造する方法を提案している。非特許文献2は、金属リチウムと炭素とを反応させて、リチウムカーバイドを製造する方法を提案している。
Calcium carbide is generally obtained by heating a mixture of quicklime (calcium oxide) and coke to high temperatures in an electric furnace (see, for example, Patent Document 1).
金属カーバイドを製造するには、通常、原料を2000℃以上に加熱する必要がある。そのため、エネルギー効率が低いうえ、大量の二酸化炭素が生成するという問題がある。また、特許文献1~3では、金属カーバイドの炭素源として炭素そのものを使用している。非特許文献1には、炭素源として二酸化炭素を用いた場合、リチウムカーバイドの収率は計算上20%を超えないが、炭素源として炭素を用いることでリチウムカーバイドの収率を上げることができると記載されている。しかしながら、これを裏付ける実験データは示されていない。非特許文献2には、炭素源としてアモルファスカーボンあるいはグラファイトを用いることが記載されているが、結晶性のリチウムカーバイドを生成するには、800℃から900℃の金属リチウムの蒸気を接触させるか、あるいは、概ね3500℃以上アーク溶融炉内で金属リチウムと接触させる必要がある。
To produce metal carbide, it is usually necessary to heat the raw material to 2000°C or higher. This results in low energy efficiency and generates a large amount of carbon dioxide. In addition, in
本開示は、(例えば、800℃以下の)比較的低温下で、速やかに反応が進行し、効率よく金属カーバイドを得ることのできる製造方法を提供することを目的とする。本開示はさらに、得られた金属カーバイドから、炭化水素を製造する方法を提供する。加えて、本開示は、金属カーバイドを担持した炭素含有部材を提供する。 The present disclosure aims to provide a manufacturing method in which a reaction proceeds quickly at a relatively low temperature (e.g., 800°C or lower) and metal carbide can be obtained efficiently. The present disclosure further provides a method for producing hydrocarbons from the obtained metal carbide. In addition, the present disclosure provides a carbon-containing member carrying metal carbide.
本開示は、下記の態様を含む。
[1]アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第1金属イオンと、炭酸イオンとを含む、第1溶融塩を調製すること、および、
前記第1溶融塩に電圧を印加して、第1電極に炭素を含む析出物を析出させて、第2電極を得ること、を含む、電極作製工程と、
前記第2電極を用いて、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属イオンを含む第2溶融塩に、電圧を印加し、前記第2金属のカーバイドを含むカーバイド組成物を得ること、を含む、電解工程と、を備える、金属カーバイドの製造方法。
The present disclosure includes the following aspects.
[1] Preparing a first molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and carbonate ions; and
an electrode preparation step including applying a voltage to the first molten salt to cause a carbon-containing precipitate to precipitate on a first electrode, thereby obtaining a second electrode;
applying a voltage to a second molten salt containing at least one type of second metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions, using the second electrode, to obtain a carbide composition containing a carbide of the second metal.
[2]前記第1電極は、遷移金属および遷移金属を含む合金よりなる群から選択される少なくとも1種を含む、上記[1]に記載の金属カーバイドの製造方法。 [2] The method for producing metal carbide described in [1] above, wherein the first electrode contains at least one selected from the group consisting of transition metals and alloys containing transition metals.
[3]前記第1電極は、鉄を含む合金を含む、上記[1]または[2]に記載の金属カーバイドの製造方法。 [3] The method for producing metal carbide described in [1] or [2] above, wherein the first electrode includes an alloy containing iron.
[4]前記第1電極が、SUS304を含む、上記[1]~[3]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [4] The method for producing metal carbide described in any one of [1] to [3] above, wherein the first electrode includes SUS304.
[5]前記第2溶融塩は、炭酸イオンを実質的に含まない、上記[1]~[4]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [5] The method for producing metal carbide described in any one of [1] to [4] above, wherein the second molten salt does not substantially contain carbonate ions.
[6]前記電解工程では、前記第2溶融塩として、前記電極作製工程で使用された前記第1溶融塩をそのまま用いる、上記[1]~[5]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [6] The method for producing metal carbide described in any one of [1] to [5] above, in which the first molten salt used in the electrode preparation process is used as the second molten salt in the electrolysis process.
[7]前記第2溶融塩は、陰イオンとして、ハロゲン化物イオンおよび酸化物イオンよりなる群から選択される少なくとも1種を含む、上記[1]~[6]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [7] The method for producing metal carbide described in any one of [1] to [6] above, wherein the second molten salt contains at least one anion selected from the group consisting of halide ions and oxide ions.
[8]前記第1金属イオンと前記第2金属イオンとが同じである、上記[1]~[7]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [8] The method for producing metal carbide described in any one of [1] to [7] above, in which the first metal ion and the second metal ion are the same.
[9]前記カーバイド組成物は、さらに、炭素、前記第2金属の単体、ハロゲン化物、炭酸塩、酸化物、水素化物および過酸化物、ならびに前記第1金属の単体、ハロゲン化物、炭酸塩、酸化物およびカーバイドよりなる群から選択される少なくとも1つを含む、上記[1]~[8]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [9] The method for producing metal carbide according to any one of [1] to [8] above, wherein the carbide composition further contains at least one selected from the group consisting of carbon, an elemental substance, a halide, a carbonate, an oxide, a hydride, and a peroxide of the second metal, and an elemental substance, a halide, a carbonate, an oxide, and a carbide of the first metal.
[10]前記第2溶融塩は、前記第2金属イオンとして、ナトリウムイオン、リチウムイオンおよびカリウムイオンよりなる群から選択される少なくとも1種と、カルシウムイオンとを含む、上記[1]~[9]のいずれかに記載の金属カーバイドの製造方法。 [10] The method for producing metal carbide described in any one of [1] to [9] above, wherein the second molten salt contains, as the second metal ions, at least one selected from the group consisting of sodium ions, lithium ions, and potassium ions, and calcium ions.
[11]アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第1金属イオンと、二酸化炭素由来の炭酸イオンとを含む、第1溶融塩を調製すること、および、
前記第1溶融塩に電圧を印加して、第1電極に、炭素を含む析出物を析出させて、第2電極を得ること、を含む、電極作製工程と、
前記第2電極を用いて、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属イオンを含む第2溶融塩に、電圧を印加し、前記第2金属のカーバイドを含むカーバイド組成物を得ること、を含む、電解工程と、
前記第2金属のカーバイドを加水分解して、炭化水素を含むガスを得ること、を含む、ガス発生工程と、を備える、炭化水素の製造方法。
[11] Preparing a first molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and a carbonate ion derived from carbon dioxide; and
an electrode preparation step including applying a voltage to the first molten salt to cause a precipitate containing carbon to be deposited on a first electrode to obtain a second electrode;
an electrolysis step including applying a voltage to a second molten salt containing at least one second metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions, using the second electrode, to obtain a carbide composition containing a carbide of the second metal;
and a gas generating step of hydrolyzing the carbide of the second metal to obtain a gas containing a hydrocarbon.
[12]前記炭化水素は、アセチレンである、上記[11]に記載の炭化水素の製造方法。 [12] The method for producing a hydrocarbon described in [11] above, wherein the hydrocarbon is acetylene.
[13]前記ガスは、前記炭化水素としてアセチレンを含み、さらに、エチレン、エタン、メタン、メチルアセチレン、プロピレン、ブテンおよび水素よりなる群から選択される少なくとも1種を含む、上記[11]または[12]に記載の炭化水素の製造方法。 [13] The method for producing hydrocarbons described in [11] or [12] above, wherein the gas contains acetylene as the hydrocarbon, and further contains at least one selected from the group consisting of ethylene, ethane, methane, methylacetylene, propylene, butene, and hydrogen.
[14]基体と、
前記基体に担持された、アルカリ金属およびアルカリ土類金属よりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド組成物と、を含む、炭素含有部材。
[14] A substrate,
a metal carbide composition supported on the substrate, the metal carbide composition comprising a carbide of at least one second metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals.
[15]基体と、
前記基体の少なくとも一部を覆う、アルカリ金属およびアルカリ土類金属よりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド層と、
前記金属カーバイド層の少なくとも一部を覆い、かつ、炭素を含み、前記第2金属カーバイドを実質的に含まないカーボン層と、を備える、炭素含有部材。
[15] a substrate;
a metal carbide layer covering at least a portion of the substrate, the metal carbide layer including at least one second metal carbide selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals;
a carbon layer covering at least a portion of the metal carbide layer, the carbon layer comprising carbon and being substantially free of the second metal carbide.
本開示によれば、比較的低温下で速やかに反応が進行し、効率よく金属カーバイドを得ることのできる製造方法、得られた金属カーバイドから炭化水素を製造する方法、ならびに、金属カーバイドを担持した炭素含有部材を提供することができる。 The present disclosure provides a production method in which the reaction proceeds quickly at a relatively low temperature and metal carbide can be obtained efficiently, a method for producing hydrocarbons from the obtained metal carbide, and a carbon-containing member carrying metal carbide.
第1実施形態
本実施形態の金属カーバイドの製造方法では、まず、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第1金属イオンと、二酸化炭素由来の炭酸イオンを含む溶融塩に電圧を印加して、SUS304を材料とする第1電極に炭素を含む第1析出物を析出させて、第2電極を得る(電極作製工程)。次いで、この第2電極に析出した炭素を炭素源として、電極作製工程で使用された第1溶融塩をそのまま用いた電解により、金属カーバイドを得る(電解工程)。
First embodiment In the method for producing metal carbide of this embodiment, a voltage is applied to a molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and carbonate ions derived from carbon dioxide to cause a first precipitate containing carbon to precipitate on a first electrode made of SUS304, thereby obtaining a second electrode (electrode preparation step). Next, metal carbide is obtained by electrolysis using the first molten salt used in the electrode preparation step as it is, with the carbon precipitated on the second electrode as a carbon source (electrolysis step).
これにより、800℃以下の比較的低温下で、効率よく金属カーバイドを得ることができる。さらに、地球温暖化の原因と言われるCO2を、炭素源として有効活用することができる。加えて、電極作製工程で使用された第1溶融塩をそのまま、次工程の電解に用いるため、すなわち、電極作製工程と電解工程とが同じ電解浴で行われるため、生産性も高い。 This allows metal carbide to be obtained efficiently at a relatively low temperature of 800° C. or less. Furthermore, CO 2 , which is said to be a cause of global warming, can be effectively used as a carbon source. In addition, the first molten salt used in the electrode preparation process is used as it is in the next electrolysis process, that is, the electrode preparation process and the electrolysis process are performed in the same electrolytic bath, so productivity is high.
本実施形態は、上記の方法により得られる金属カーバイドを加水分解して、炭化水素を得ることを包含する。この方法によれば、効率良く高純度の炭化水素を得ることができる。 This embodiment involves hydrolyzing the metal carbide obtained by the above method to obtain hydrocarbons. This method makes it possible to efficiently obtain high-purity hydrocarbons.
本実施形態は、金属カーバイドを担持した炭素含有部材を包含する。この炭素含有部材は、炭化水素の製造に利用できる。 This embodiment includes a carbon-containing member carrying a metal carbide. This carbon-containing member can be used to produce hydrocarbons.
[金属カーバイドの製造方法]
本開示に係る金属カーバイドの製造方法は、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第1金属イオンと、炭酸イオンとを含む、第1溶融塩を調製すること、および、第1溶融塩に電圧を印加して、第1電極に炭素を含む析出物を析出させて、第2電極を得ること、を含む、電極作製工程と、第2電極を用いて、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属イオンを含む第2溶融塩に、電圧を印加し、第2金属のカーバイドを含むカーバイド組成物を得ること、を含む、電解工程と、を備える。図1は、本開示に係る金属カーバイドの製造方法を示すフローチャートである。
[Method of manufacturing metal carbide]
The method for producing metal carbide according to the present disclosure includes an electrode preparation step including preparing a first molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and carbonate ions, and applying a voltage to the first molten salt to cause a precipitate containing carbon to precipitate on the first electrode to obtain a second electrode, and an electrolysis step including applying a voltage to a second molten salt containing at least one second metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions using the second electrode to obtain a carbide composition containing a carbide of the second metal.
(I)電極作製工程
電極作製工程では、第1電極に炭素含む析出物を析出させて、第2電極を作製する。第2電極上の炭素は、電解工程において、金属カーバイド生成のための炭素源として使用される。炭素を含む析出物は、電位の低い電極(陰極)の表面に析出する。以下、第1電極を「陰極」、他方の電極を「陽極」と称する場合がある。
(I) Electrode Preparation Step In the electrode preparation step, a carbon-containing deposit is deposited on a first electrode to prepare a second electrode. The carbon on the second electrode is used as a carbon source for producing metal carbide in the electrolysis step. The carbon-containing deposit is deposited on the surface of the electrode with a lower potential (cathode). Hereinafter, the first electrode may be referred to as the "cathode" and the other electrode may be referred to as the "anode".
電極作製工程は、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第1金属イオンと、炭酸イオンとを含む、第1溶融塩を調製すること、および、第1溶融塩に電圧を印加して、第1電極に炭素を含む第1析出物を析出させて、第2電極を得ること、を含む。 The electrode preparation process includes preparing a first molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and carbonate ions, and applying a voltage to the first molten salt to cause a first precipitate containing carbon to precipitate on the first electrode, thereby obtaining a second electrode.
(i)第1溶融塩の調製(S11)
第1金属イオンおよび二酸化炭素由来の炭酸イオンを含む第1溶融塩を調製する。第1金属イオンは、第1金属の塩が電離することにより生成する。炭酸イオンは、電解浴に二酸化炭素を含有するガスを添加することにより生成する。第1溶融塩において、第1金属塩および二酸化炭素のすべてが電離していることは要さない。本実施形態では、便宜上、電解浴に含まれる第1金属の塩を、それが完全に電離している場合も含め、第1金属塩と称し、第1金属塩および二酸化炭素により調製される溶融塩を、これらが完全に電離していない場合も含め、第1溶融塩と称する。
(i) Preparation of first molten salt (S11)
A first molten salt containing a first metal ion and a carbonate ion derived from carbon dioxide is prepared. The first metal ion is generated by ionizing the salt of the first metal. The carbonate ion is generated by adding a gas containing carbon dioxide to the electrolytic bath. In the first molten salt, it is not necessary that the first metal salt and the carbon dioxide are all ionized. In this embodiment, for convenience, the salt of the first metal contained in the electrolytic bath is referred to as the first metal salt even if it is completely ionized, and the molten salt prepared from the first metal salt and carbon dioxide is referred to as the first molten salt even if they are not completely ionized.
(第1金属イオン)
第1金属イオンは、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種である。アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンは、電解質として優れた機能を有する。
(First metal ion)
The first metal ion is at least one selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions. The alkali metal ions and alkaline earth metal ions have excellent electrolyte functions.
アルカリ金属としては、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)およびフランシウム(Fr)よりなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。アルカリ金属は、Li、Na、K、RbおよびCsよりなる群から選択される少なくとも1つであってよい。アルカリ金属は、特に、Li、Na、KおよびCsよりなる群から選択される少なくとも1つであってよい。 The alkali metal may be at least one selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs) and francium (Fr). The alkali metal may be at least one selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb and Cs. The alkali metal may in particular be at least one selected from the group consisting of Li, Na, K and Cs.
アルカリ土類金属としては、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)およびラジウム(Ra)よりなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。アルカリ土類金属は、Mg、Ca、SrおよびBaよりなる群から選択される少なくとも1つであってよい。 The alkaline earth metal may be at least one selected from the group consisting of beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba) and radium (Ra). The alkaline earth metal may be at least one selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr and Ba.
(他の金属イオン)
第1溶融塩には、第1金属イオン以外の他の金属イオン(第3金属イオン)が含まれてよい。第3金属イオンは、その塩が800℃以下の温度で電離することが好ましい。
(Other metal ions)
The first molten salt may contain a metal ion (a third metal ion) other than the first metal ion. It is preferable that the salt of the third metal ion ionizes at a temperature of 800° C. or lower.
第3金属としては、例えば、希土類元素、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、タリウム(Tl)、亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、金(Au)、銀(Ag)および銅(Cu)よりなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。希土類元素としては、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタノイド元素およびアクチノイド元素が挙げられる。 The third metal may be, for example, at least one selected from the group consisting of rare earth elements, aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), thallium (Tl), zinc (Zn), cadmium (Cd), gold (Au), silver (Ag) and copper (Cu). The rare earth elements may be scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanide elements and actinide elements.
(二酸化炭素由来の炭酸イオン)
炭酸イオンは、電解浴に二酸化炭素を含有するガスを添加することにより生成する。
二酸化炭素を含有するガス(以下、CO2ガスと称する場合がある。)は、気体の状態で液体の状態の第1金属塩と接触させられる。CO2ガスを電解浴の気相部に吹き込んで、第1金属塩の液面と接触させてもよいし、CO2ガスを第1金属塩中に吹き込んでもよい。CO2ガスは、CO2と不活性ガス(典型的には、アルゴン)との混合ガスであってよい。電圧印加前に、十分な量のCO2ガスを第1金属塩に添加してもよいし、電圧を印加しながら、CO2ガスを第1金属塩に添加してもよい。
(carbonate ion derived from carbon dioxide)
Carbonate ions are generated by adding a gas containing carbon dioxide to the electrolytic bath.
A gas containing carbon dioxide (hereinafter, sometimes referred to as CO2 gas) is brought into contact with the first metal salt in a liquid state in a gaseous state. The CO2 gas may be blown into the gas phase of the electrolytic bath to contact the liquid surface of the first metal salt, or the CO2 gas may be blown into the first metal salt. The CO2 gas may be a mixed gas of CO2 and an inert gas (typically argon). A sufficient amount of CO2 gas may be added to the first metal salt before the voltage is applied, or the CO2 gas may be added to the first metal salt while the voltage is being applied.
CO2ガスの吹き込み量は、第1金属イオンの量に応じて適宜設定すればよい。CO2ガスの吹き込み量は、例えば、ガスの第1金属塩中への吸収効率を考慮すると、第1金属塩の当量以上である。 The amount of CO2 gas blown in may be appropriately set depending on the amount of the first metal ion. For example, the amount of CO2 gas blown in is equal to or greater than the equivalent amount of the first metal salt, taking into account the efficiency of absorption of the gas into the first metal salt.
第1金属塩へのCO2の溶解が促進される点で、吹き込まれるCO2ガスの気泡径は小さい方が望ましい。CO2ガスの気泡径は、10mm以下が好ましく、1mm以下がより好ましい。CO2ガスの気泡径は、100nm以上であってよく、1μm以上であってよい。CO2ガスの気泡径は、例えば、石英ガラスや高純度アルミナ製の多孔質材料を通じてバブリングしたり、撹拌機によって撹拌したり、振動を加えたり、超音波を照射したりすることにより、微細化が可能である。 In order to promote the dissolution of CO2 into the first metal salt, it is desirable that the bubble diameter of the CO2 gas to be blown in is small. The bubble diameter of the CO2 gas is preferably 10 mm or less, more preferably 1 mm or less. The bubble diameter of the CO2 gas may be 100 nm or more, or 1 μm or more. The bubble diameter of the CO2 gas can be made fine by, for example, bubbling through a porous material made of quartz glass or high-purity alumina, stirring with a stirrer, applying vibration, or irradiating with ultrasonic waves.
CO2ガスは、予め第1金属塩の温度近くまで予熱しておくことが好ましい。予熱により、第1金属塩の温度が低下して凝固してしまうことが抑制され易くなる。 It is preferable to preheat the CO2 gas to a temperature close to that of the first metal salt, since preheating makes it easier to prevent the first metal salt from being solidified due to a drop in temperature.
(他の陰イオン)
第1溶融塩は、炭酸イオン以外の陰イオンを含み得る。他の陰イオンとしては、例えば、ハロゲン化物イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、硝酸イオン、酢酸イオン、カルボン酸イオンおよび酸化物イオン(O2-)よりなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。他の陰イオンとして、第1金属のハロゲン化物由来のハロゲン化物イオンを含んでいてよい。第1金属のハロゲン化物は、溶融塩として一般的に使用され、電解質として優れている。
(Other anions)
The first molten salt may contain anions other than carbonate ions. Examples of the other anions include at least one selected from the group consisting of halide ions, sulfate ions, phosphate ions, nitrate ions, acetate ions, carboxylate ions, and oxide ions (O 2− ). The other anions may include halide ions derived from a halide of the first metal. A halide of the first metal is commonly used as a molten salt and is excellent as an electrolyte.
(ii)電圧の印加(S12)
続いて、第1溶融塩に電圧を印加する。これにより、陰極上においてCO3
2-が還元されて、炭素を含む析出物が得られる(式1)。当該析出物に含まれる炭素は、多結晶体であり得、高結晶化度を有する多結晶体(例えば、カーボンナノチューブ様の多結晶体)であり得る。陰極上には、第1金属のカーバイドも析出し得る。陽極上ではO2-が酸化されて酸素が発生する(式2)。
(式1) 2CO3
2-+8e- → 2C+6O2-
(式2) 2O2- → O2 +4e-
(ii) Application of voltage (S12)
Next, a voltage is applied to the first molten salt. As a result, CO 3 2- is reduced on the cathode to obtain a deposit containing carbon (Equation 1). The carbon contained in the deposit may be polycrystalline, and may be a polycrystalline body having a high degree of crystallinity (e.g., a polycrystalline body like a carbon nanotube). Carbide of the first metal may also be deposited on the cathode. O 2- is oxidized on the anode to generate oxygen (Equation 2).
(Formula 1) 2CO 3 2- +8e - → 2C+6O 2-
(Equation 2) 2O2- → O2 + 4e-
第1金属がCaである場合、陰極には、カルシウムカーバイド(CaC2)が析出し得る(式3)。陰極上には、さらに、金属カルシウムが生成し得る(式4)。この副反応で生じた金属リチウムの一部もしくは全部は、さらに反応して、カルシウムカーバイドになり得る(式5)。あるいは、金属カルシウムは、第1溶融塩中に物理溶解している二酸化炭素と反応して、カルシウムカーバイドになり得る(式6)。炭素の微粉が生成し、溶融塩が黒濁する場合もある(式7)。上記(式6)および(式7)で生成したCaOは、直ちに溶融塩に溶解し、カルシウムイオンと酸化物イオンを生成する(式8)。
(式3) Ca2++2CO3
2-+10e- → CaC2+6O2-
(式4) Ca2++2e- → Ca
(式5) Ca+2C → CaC2
(式6) 2CO2+5Ca → CaC2+4CaO
(式7) 2Ca+CO2 → C+2CaO
(式8) CaO → Ca2++O2-
When the first metal is Ca, calcium carbide ( CaC2 ) may be precipitated on the cathode (Formula 3). Metallic calcium may also be produced on the cathode (Formula 4). A part or all of the metallic lithium produced by this side reaction may further react to become calcium carbide (Formula 5). Alternatively, metallic calcium may react with carbon dioxide physically dissolved in the first molten salt to become calcium carbide (Formula 6). Carbon powder may be produced, causing the molten salt to become black and turbid (Formula 7). The CaO produced in the above (Formula 6) and (Formula 7) immediately dissolves in the molten salt to produce calcium ions and oxide ions (Formula 8).
(Formula 3) Ca 2+ +2CO 3 2- +10e - → CaC 2 +6O 2-
(Formula 4) Ca 2+ +2e − → Ca
(Formula 5) Ca+2C → CaC 2
(Formula 6) 2CO 2 +5Ca → CaC 2 +4CaO
(Formula 7) 2Ca+CO 2 → C+2CaO
(Formula 8) CaO → Ca 2+ +O 2−
第1金属がNa、KまたはLiの場合も、同様の反応により、炭素とともに、ナトリウムカーバイド(Na2C2)、カリウムカーバイド(K2C2)またはリチウムカーバイド(LiC2)が析出する。その他の第1金属の場合も同様である。 When the first metal is Na, K or Li, sodium carbide (Na 2 C 2 ), potassium carbide (K 2 C 2 ) or lithium carbide (LiC 2 ) precipitates together with carbon by a similar reaction. The same applies to the other first metals.
陽極上では、O2-が酸化されて酸素が発生する。陽極上で発生した酸素は気相中へと排出される。この酸素ガスを回収し、他の用途に利用することができる。 At the anode, O 2- is oxidized to generate oxygen. The oxygen generated at the anode is discharged into the gas phase. This oxygen gas can be collected and used for other purposes.
電圧の印加は、第1溶融塩の溶融状態が維持できる温度で行われる。電解浴の温度は、例えば、350℃以上であってよく、400℃以上であってよい。電解浴の温度は、例えば、800℃以下であってよく、700℃以下であってよい。本開示によれば、このような比較的低い温度で反応が進行するため、エネルギー効率が高い。 The voltage is applied at a temperature at which the first molten salt can be maintained in a molten state. The temperature of the electrolytic bath may be, for example, 350°C or higher, or 400°C or higher. The temperature of the electrolytic bath may be, for example, 800°C or lower, or 700°C or lower. According to the present disclosure, the reaction proceeds at such a relatively low temperature, resulting in high energy efficiency.
印加電圧は、第1電極(陰極)電位が、炭素が析出する電位(Ec)以下(卑)になるように、設定される。電流値は、CO2の単位時間当たりの供給量にあわせて適宜設定すればよい。電流値は、例えば、第1溶融塩中のCO3 2-濃度が減少しないように、陰極で単位時間当たりに消費されるCO3 2-より、第1溶融塩中のCO2とO2 -との反応により生成するCO3 2-が多くなるように、設定される。 The applied voltage is set so that the first electrode (cathode) potential is equal to or lower (lower) than the potential (Ec) at which carbon precipitates. The current value may be set appropriately according to the amount of CO 2 supplied per unit time. For example, the current value is set so that the amount of CO 3 2- produced by the reaction between CO 2 and O 2 - in the first molten salt is greater than the amount of CO 3 2- consumed per unit time at the cathode, so that the concentration of CO 3 2- in the first molten salt does not decrease.
本実施形態では、SUS304から形成された陰極を用いる。これにより、ファラデー効率が非常に向上する。また、SUS304は比較的入手しやすく、安価であり、さらに耐熱性に優れる点でも望ましい。SUS304は、オーステナイト系のステンレス鋼であり、その成分はJIS G 4303等に記載されている。 In this embodiment, a cathode made of SUS304 is used. This significantly improves the Faraday efficiency. SUS304 is also desirable because it is relatively easy to obtain, inexpensive, and has excellent heat resistance. SUS304 is an austenitic stainless steel, and its composition is described in JIS G 4303, etc.
陰極の材質はSUS304に限定されない。陰極の材料としては、例えばAg、Cu、Ni、Pb、Hg、Tl、Bi、In、Sn、Cd、Au、Zn、Ga、Ge、Fe、Pt、Pd、Ru、Ti、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta、Zrおよびこれらの合金等の金属が挙げられる。合金として、具体的には、SUS430等のフェライト系ステンレスが挙げられる。 The material of the cathode is not limited to SUS304. Examples of the cathode material include metals such as Ag, Cu, Ni, Pb, Hg, Tl, Bi, In, Sn, Cd, Au, Zn, Ga, Ge, Fe, Pt, Pd, Ru, Ti, Cr, Mo, W, V, Nb, Ta, Zr, and alloys of these metals. Specific examples of alloys include ferritic stainless steels such as SUS430.
なかでも、ファラデー効率の観点から、陰極は、遷移金属および遷移金属を含む合金よりなる群から選択される少なくとも1種を含んでいてよい。遷移金属のなかでも、Ni、Fe、Mo、Tiであってよい。陰極は、特に、鉄の合金(典型的には、ステンレス鋼)を含んでよく、鉄の合金から形成されてよい。陰極は、SUS304を含んでいてよく、SUS304から形成されていてよい。 In particular, from the viewpoint of Faraday efficiency, the cathode may contain at least one selected from the group consisting of transition metals and alloys containing transition metals. Among the transition metals, Ni, Fe, Mo, and Ti may be used. In particular, the cathode may contain an iron alloy (typically, stainless steel) or may be formed from an iron alloy. The cathode may contain SUS304 or may be formed from SUS304.
陽極の材質は特に限定されない。陽極の材料としては、例えば、Pt、導電性金属酸化物、グラッシーカーボン、天然黒鉛、等方性黒鉛、熱分解グラファイト、プラスチックフォームドカーボン、ボロンドープダイヤモンドが挙げられる。導電性金属酸化物製の電極としては、例えば、ITO電極と呼ばれるインジウムとスズの混合酸化物をガラス上に製膜した透明導電性電極、DSA電極(デノラ・ペルメレック電極株式会社商標)と呼ばれるルテニウム、イリジウム等の白金族の金属の酸化物をチタン等の基材上に成膜した電極、La1-xSrxFeO3-δ(0≦x≦0.5(特には、0.1≦x≦0.5)、0≦δ≦0.5)等の組成を有する導電性金属酸化物電極等が挙げられる。なかでも、酸化反応による消耗が起こり難い点で、導電性金属酸化物系の陽極が好ましい。 The material of the anode is not particularly limited. Examples of the material of the anode include Pt, conductive metal oxide, glassy carbon, natural graphite, isotropic graphite, pyrolytic graphite, plastic formed carbon, and boron-doped diamond. Examples of the electrode made of conductive metal oxide include a transparent conductive electrode called an ITO electrode in which a mixed oxide of indium and tin is formed on glass, an electrode called a DSA electrode (a trademark of De Nora Permelec Electrodes, Inc.) in which an oxide of a platinum group metal such as ruthenium or iridium is formed on a substrate such as titanium, and a conductive metal oxide electrode having a composition such as La 1-x Sr x FeO 3-δ (0≦x≦0.5 (particularly, 0.1≦x≦0.5), 0≦δ≦0.5). Among them, a conductive metal oxide-based anode is preferable in that it is less likely to be consumed by oxidation reaction.
電極作製工程により、炭素を含む析出物を担持した第2電極が得られる。 The electrode preparation process produces a second electrode carrying a carbon-containing precipitate.
(II)電解工程(S2)
電解工程では、電極作製工程で得られた第2電極を用いて、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属イオンを含む第2溶融塩の電解を行う。これにより、第2電極に担持された炭素を炭素源として、第2金属のカーバイドを含むカーバイド組成物が得られる。
(II) Electrolysis process (S2)
In the electrolysis step, the second electrode obtained in the electrode preparation step is used to electrolyze a second molten salt containing at least one second metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions. As a result, a carbide composition containing carbide of the second metal is obtained using the carbon supported on the second electrode as a carbon source.
(第2金属イオン)
第2金属イオンは、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種である。第2金属イオンは、目的とする金属カーバイドの金属源である。アルカリ金属およびアルカリ土類金属のカーバイドは、アセチリドとも称されるように、加水分解によってアセチレンを生成し易く、工業的価値が高い。加えて、上記の通り、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンは、電解質として優れた機能を有する。
(Second Metal Ion)
The second metal ion is at least one selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions. The second metal ion is a metal source for the target metal carbide. The carbides of alkali metals and alkaline earth metals, also called acetylides, are easy to produce acetylene by hydrolysis and have high industrial value. In addition, as described above, the alkali metal ions and alkaline earth metal ions have excellent functions as electrolytes.
工業的価値の点で、第2金属イオンは、アルカリ土類金属イオンを含んでいてよく、Caイオンを含んでいてよい。第2金属イオンは、アルカリ土類金属イオンとともに、アルカリ金属イオンを含んでいてよい。アルカリ金属イオンは、アルカリ土類金属塩を電離し易くして、アルカリ土類金属イオンの生成を促進するとともに、溶融塩の融点を下げ、より低い温度での電解を可能とするなど、電解質として優れた機能を有するためである。第1金属イオンは、アルカリ金属イオンとしてLi、Na、K、RbおよびCsのイオンよりなる群から選択される少なくとも1種と、アルカリ土類金属イオンとしてBe、Mg、Ca、Sr、Baのイオンよりなる群から選択される少なくとも1種とを含んでいてよい。特に、Li、NaおよびKのイオンの少なくとも1種と、Caイオンとを含んでいてよい。 In terms of industrial value, the second metal ion may include an alkaline earth metal ion, and may include Ca ions. The second metal ion may include an alkali metal ion together with an alkaline earth metal ion. The alkali metal ion has excellent electrolyte functions, such as facilitating ionization of the alkaline earth metal salt, promoting the generation of alkaline earth metal ions, lowering the melting point of the molten salt, and enabling electrolysis at a lower temperature. The first metal ion may include at least one alkali metal ion selected from the group consisting of Li, Na, K, Rb, and Cs ions, and at least one alkaline earth metal ion selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, and Ba ions. In particular, it may include at least one Li, Na, and K ions, and Ca ions.
第2溶融塩に含まれる第2金属イオンの量は特に限定されない。第2金属イオンは、目的の金属カーバイドの金属源であるため、十分な量が含まれていることが望ましい。第2金属イオンのモル数は、電解浴中の陽イオンの総モル数に対して、1モル%以上であってよく、2モル%以上であってよく、3モル%以上であってよい。第2金属イオンのモル数は、電解浴中の陽イオンの総モル数に対して、20モル%以下であってよく、15モル%以下であってよく、10モル%以下であってよい。一態様において、第2金属イオンのモル数は、電解浴中の陽イオンの総モル数に対して、1モル%以上20モル%以下である。 The amount of the second metal ion contained in the second molten salt is not particularly limited. Since the second metal ion is the metal source of the target metal carbide, it is desirable that a sufficient amount is contained. The number of moles of the second metal ion may be 1 mol% or more, 2 mol% or more, or 3 mol% or more, relative to the total number of moles of cations in the electrolytic bath. The number of moles of the second metal ion may be 20 mol% or less, 15 mol% or less, or 10 mol% or less, relative to the total number of moles of cations in the electrolytic bath. In one embodiment, the number of moles of the second metal ion is 1 mol% or more and 20 mol% or less, relative to the total number of moles of cations in the electrolytic bath.
本実施形態のように、電極作製工程で使用された第1溶融塩をそのまま第2溶融塩として使用する場合、電解工程の前に、電解浴に第2金属イオンをさらに添加してもよい。 In the present embodiment, when the first molten salt used in the electrode preparation process is used as the second molten salt, a second metal ion may be further added to the electrolytic bath before the electrolysis process.
(陰イオン)
第2金属イオンのカウンターイオン(陰イオン)としては、例えば、ハロゲン化物イオン、硫酸イオン、リン酸イオン、硝酸イオン、酢酸イオン、カルボン酸イオンおよび酸化物イオン(O2-)よりなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。
(anion)
Examples of the counter ion (anion) of the second metal ion include at least one selected from the group consisting of a halide ion, a sulfate ion, a phosphate ion, a nitrate ion, an acetate ion, a carboxylate ion, and an oxide ion (O 2− ).
第2溶融塩は、陰イオンとして、ハロゲン化物イオンおよび酸化物イオンの少なくとも一方を含んでいてよい。なかでも、第2溶融塩は、ハロゲン化物イオンおよび酸化物イオンの双方を含んでいてよい。第2金属の酸化物は入手し易い一方で、その溶融温度が高くなる傾向にある。第2金属のハロゲン化物は、溶融塩として一般的に使用される。ただし、ハロゲン化物イオンによって、陽極において酸化力の高い(腐食の原因になり得る)ハロゲンガスが生成し得る。ハロゲン化物イオンおよび酸化物イオンの双方を含む場合、ハロゲンガスの発生を抑制しつつ、溶融塩の溶融温度を低下することができる。 The second molten salt may contain at least one of halide ions and oxide ions as anions. In particular, the second molten salt may contain both halide ions and oxide ions. While oxides of the second metal are easy to obtain, their melting temperature tends to be high. Halides of the second metal are commonly used as molten salts. However, halide ions can generate halogen gas at the anode, which has a high oxidizing power (and can cause corrosion). When the molten salt contains both halide ions and oxide ions, it is possible to lower the melting temperature of the molten salt while suppressing the generation of halogen gas.
ハロゲンとしては、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)およびアスタチン(At)よりなる群から選択される少なくとも1つが挙げられる。ハロゲンとしては、F、Cl、BrおよびIよりなる群から選択される少なくとも1つであってよく、特に、Fおよび/またはClであってよい。 The halogen may be at least one selected from the group consisting of fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), iodine (I) and astatine (At). The halogen may be at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br and I, and may in particular be F and/or Cl.
第2溶融塩は、炭酸イオン(CO3
2-)を実質的に含まないことが望ましい。第2溶融塩が炭酸イオンを含む場合、第2金属の放電により生じた電子と反応して(式7)、炭素が生成し易くなる。そのため、第2金属カーバイドの収率が低下する。第2溶融塩が炭酸イオンを実質的に含まないことにより、このような副反応が抑制されて、第2金属カーバイドの収率が高くなる。
(式7) 2CO3
2-+8e- → 2C+6O2-
It is desirable that the second molten salt does not substantially contain carbonate ions (CO 3 2− ). If the second molten salt contains carbonate ions, they react with electrons generated by the discharge of the second metal (Formula 7) and tend to produce carbon. This reduces the yield of the second metal carbide. By making the second molten salt substantially free of carbonate ions, such side reactions are suppressed, and the yield of the second metal carbide is increased.
(Formula 7) 2CO 3 2- +8e - → 2C+6O 2-
「炭酸イオンを実質的に含まない」は、電解反応に関与しない程度の炭酸イオンの存在を許容する。第2溶融塩は、例えば、1.0モル%以下程度の炭酸イオンを含んでいてよい。第2溶融塩における炭酸イオン濃度は、0.5モル%以下であってよく、0.3モル%以下であってよく、0モル%であってよい。 "Substantially free of carbonate ions" allows for the presence of carbonate ions to a degree that is not involved in the electrolytic reaction. The second molten salt may contain, for example, about 1.0 mol% or less of carbonate ions. The carbonate ion concentration in the second molten salt may be 0.5 mol% or less, 0.3 mol% or less, or 0 mol%.
アルカリ土類金属イオンを含む第2金属塩として、具体的には、CaO、CaCl2、CaF2、CaBr2、CaI2、CaH2、Ca3P2が挙げられる。アルカリ金属イオンを含む第2金属塩として、具体的には、LiF、NaF、KF、RbF、CsF、LiCl、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、LiBr、NaBr、KBr、RbBr、CsBr、LiI、NaI、KI、RbI、CsIが挙げられる。 Specific examples of the second metal salt containing an alkaline earth metal ion include CaO, CaCl2 , CaF2 , CaBr2 , CaI2 , CaH2 , and Ca3P2 . Specific examples of the second metal salt containing an alkali metal ion include LiF, NaF, KF, RbF, CsF, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, LiBr, NaBr, KBr, RbBr , CsBr, LiI, NaI, KI, RbI, and CsI.
第2金属イオンは第1金属イオンと同じであってよく、異なっていてよい。第1金属イオンと第2金属イオンとは、同じであってよい。本実施形態では、電解工程において、電極作製工程で使用された第1溶融塩をそのまま第2溶融塩として用いるため、第2金属イオンは、第1金属イオンと同種の金属イオンを含み得る。 The second metal ion may be the same as the first metal ion or may be different. The first metal ion and the second metal ion may be the same. In this embodiment, the first molten salt used in the electrode preparation process is used as the second molten salt in the electrolysis process, so the second metal ion may contain the same type of metal ion as the first metal ion.
他方の電極(陽極)の材質は特に限定されない。陽極の材料としては、電極作製工程で用いられるのと同様のものが挙げられる。本実施形態では、電極作製工程で用いられた陽極を、そのまま電解工程で用いてもよい。 The material of the other electrode (anode) is not particularly limited. Examples of the material of the anode include the same materials as those used in the electrode fabrication process. In this embodiment, the anode used in the electrode fabrication process may be used as is in the electrolysis process.
第2溶融塩に電圧を印加すると、陰極(第2電極)を構成する炭素上において第2金属イオンが還元されて第2金属が生成し、それがただちに陰極(第2電極)を構成する炭素と反応することにより、第2金属カーバイドを含む組成物(金属カーバイド組成物)が得られる。第2溶融塩中で電離していなかった第2金属塩が存在する場合、印加によって、第2金属塩の電離も促進され得る。 When a voltage is applied to the second molten salt, the second metal ions are reduced on the carbon constituting the cathode (second electrode) to produce the second metal, which immediately reacts with the carbon constituting the cathode (second electrode) to produce a composition containing the second metal carbide (metal carbide composition). If there is a second metal salt that has not been ionized in the second molten salt, the application of a voltage can also promote ionization of the second metal salt.
第2金属がCaの場合、カルシウムカーバイド(CaC2)が生成する(式8)。陰極上には、副反応により、さらに金属カルシウムが生成し得る(式9)。この副反応で生じた金属カルシウムの一部もしくは全部は、さらに反応して、カルシウムカーバイドになり得る。
(式8) Ca2++2C +2e- → CaC2
(式9) Ca2++2e- → Ca
When the second metal is Ca, calcium carbide ( CaC2 ) is produced (Equation 8). Calcium metal may also be produced on the cathode through a side reaction (Equation 9). Some or all of the calcium metal produced in this side reaction may further react to form calcium carbide.
(Formula 8) Ca 2+ +2C +2e − → CaC 2
(Formula 9) Ca 2+ +2e − → Ca
電圧の印加は、溶融塩の溶融状態が維持できる温度で行われる。電解浴の温度は、例えば、350℃以上であってよく、400℃以上であってよい。電解浴の温度は、例えば、800℃以下であってよく、700℃以下であってよい。本開示によれば、このような比較的低い温度で反応が進行するため、エネルギー効率が高い。 The voltage is applied at a temperature at which the molten salt can be maintained in a molten state. The temperature of the electrolytic bath may be, for example, 350°C or higher, or 400°C or higher. The temperature of the electrolytic bath may be, for example, 800°C or lower, or 700°C or lower. According to the present disclosure, the reaction proceeds at such a relatively low temperature, resulting in high energy efficiency.
印加電圧は、陰極電位が、陰極上で第2金属が析出する電位(Emc)よりも低い(卑である)電位になるように、設定される。これにより、第2金属カーバイドの選択性がより向上し得る。陰極の電位が過度に高い(貴である)と、目的の第2金属カーバイドの生成量は減少し易い。陰極の電位が過度に低い(卑である)と、第2金属カーバイドは生成するものの、溶融塩中に含まれる金属のうち、当該溶融塩中の酸化還元電位が最も貴な金属が主として析出する。溶融塩中に当該溶融塩中の酸化還元電位が近い複数の金属が存在する場合は、複数金属の合金が析出することもある。電位Emcは、使用する溶融塩中で、使用する金属電極、例えばSUS304電極を用いて、サイクリック・ボルタンメトリー測定を行って決定できる。 The applied voltage is set so that the cathode potential is lower (more noble) than the potential (Emc) at which the second metal precipitates on the cathode. This can further improve the selectivity of the second metal carbide. If the cathode potential is excessively high (more noble), the amount of the target second metal carbide produced is likely to decrease. If the cathode potential is excessively low (more noble), the second metal carbide is produced, but the metal contained in the molten salt that has the most noble redox potential in the molten salt is mainly precipitated. If the molten salt contains multiple metals with similar redox potentials in the molten salt, an alloy of multiple metals may precipitate. The potential Emc can be determined by performing cyclic voltammetry measurements in the molten salt to be used using the metal electrode to be used, for example, a SUS304 electrode.
定電流電解を行う場合の設定電流値は、電解中の陰極電位が上記記載の電位範囲となるように、適宜設定すればよい。 When performing constant current electrolysis, the set current value should be set appropriately so that the cathode potential during electrolysis is within the potential range described above.
金属カーバイド組成物は、通常、陰極(厳密には、陰極として用いられていた第1(第2)電極由来の基体)に担持された状態で得られる。第2金属カーバイドの溶解性に優れる溶融塩を用いる場合、第2金属カーバイドは、その一部または全部が溶融塩に溶解した状態で得られる。溶融塩に予め第2金属カーバイドを溶解させておくと、電解によって得られる第2金属カーバイドは、陰極上に析出され易くなって、第1電極由来の基体に担持された状態で得られ易くなる。 The metal carbide composition is usually obtained in a state supported on the cathode (strictly speaking, on the substrate derived from the first (second) electrode that was used as the cathode). When a molten salt with excellent solubility for the second metal carbide is used, the second metal carbide is obtained in a state where it is partially or entirely dissolved in the molten salt. If the second metal carbide is dissolved in the molten salt in advance, the second metal carbide obtained by electrolysis is more likely to be deposited on the cathode and is more likely to be obtained in a state where it is supported on the substrate derived from the first electrode.
金属カーバイド組成物は、第2金属のカーバイドを含む。第2金属カーバイドは、金属カーバイド組成物の主成分である。主成分とは、金属カーバイド組成物の全質量の50質量%以上を占める成分である。第2金属カーバイドの含有割合は、金属カーバイド組成物の質量の80質量%以上であってよく、90質量%以上であってよい。第2金属カーバイドの含有割合は、金属カーバイド組成物の質量の99.9質量%以下であってよく、99質量%以下であってよい。一態様において、第2金属カーバイドの含有割合は、金属カーバイド組成物の質量の80質量%以上99.9質量%以下である。 The metal carbide composition includes a carbide of a second metal. The second metal carbide is the main component of the metal carbide composition. The main component is a component that occupies 50 mass% or more of the total mass of the metal carbide composition. The content of the second metal carbide may be 80 mass% or more, or may be 90 mass% or more, of the mass of the metal carbide composition. The content of the second metal carbide may be 99.9 mass% or less, or may be 99 mass% or less, of the mass of the metal carbide composition. In one embodiment, the content of the second metal carbide is 80 mass% or more and 99.9 mass% or less of the mass of the metal carbide composition.
金属カーバイド組成物は、副生成物として、炭素、第2金属の単体、ハロゲン化物、炭酸塩、酸化物、水素化物および過酸化物よりなる群から選択される少なくとも1つを含み得る。金属カーバイド組成物は、さらに、第1金属の単体、ハロゲン化物、炭酸塩、酸化物およびカーバイドよりなる群から選択される少なくとも1つを含み得る。 The metal carbide composition may contain at least one by-product selected from the group consisting of carbon, an elemental form, a halide, a carbonate, an oxide, a hydride, and a peroxide of the second metal. The metal carbide composition may further contain at least one by-product selected from the group consisting of an elemental form, a halide, a carbonate, an oxide, and a carbide of the first metal.
金属カーバイド組成物は、その他、固化した電解質(他の金属塩)、装置を構成する材料のハロゲン化物、酸化物、金属、およびこれらの水和物よりなる群から選択される少なくとも1つを含み得る。 The metal carbide composition may also contain at least one selected from the group consisting of solidified electrolytes (other metal salts), halides, oxides, metals, and hydrates of the materials that make up the device.
金属カーバイド組成物に含まれる炭素は、例えば、黒鉛、アモルファスカーボン、ガラス状カーボン、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、ナノダイヤモンド、グラフェン等のナノカーボン材料よりなる群から選択される少なくとも1つである。上記の方法の電解を引き続き行うことにより、金属カーバイド組成物に含まれる炭素から、さらに第2金属カーバイドを得ることができる。この場合、収率はさらに高まる。 The carbon contained in the metal carbide composition is at least one selected from the group consisting of nanocarbon materials such as graphite, amorphous carbon, glassy carbon, carbon nanotubes, diamond, nanodiamond, and graphene. By continuing the electrolysis of the above method, a second metal carbide can be further obtained from the carbon contained in the metal carbide composition. In this case, the yield is further increased.
第2金属カーバイド、第2金属の単体、第2金属を含む化合物およびその他の副生成物の存在確認およびそれらの定量は、例えば、組成物のラマン分光分析およびX線回折(XRD)分析により行うことができる。 The presence and quantification of the second metal carbide, the second metal itself, compounds containing the second metal, and other by-products can be performed, for example, by Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) analysis of the composition.
[炭素含有部材]
本開示は、基体と、当該基体に担持された、アルカリ金属およびアルカリ土類金属よりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド組成物と、を含む、炭素含有部材を包含する。本開示に係る炭素含有部材は、炭化水素の製造に利用することができる。
[Carbon-containing components]
The present disclosure encompasses a carbon-containing component comprising a substrate and a metal carbide composition supported on the substrate, the metal carbide composition comprising a carbide of at least one second metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals. The carbon-containing component according to the present disclosure can be utilized in the production of hydrocarbons.
炭素含有部材は、例えば、上記の金属カーバイドの製造方法により得られる。すなわち、炭素含有部材は、上記の第2溶融塩の電解に用いられた第2電極に相当し得る。この場合、基体は、上記の第2電極に由来している The carbon-containing member can be obtained, for example, by the above-mentioned method for producing metal carbide. That is, the carbon-containing member can correspond to the second electrode used in the electrolysis of the second molten salt. In this case, the substrate is derived from the second electrode.
金属カーバイド組成物は、基体の表面の少なくとも一部に担持されていればよい。基体の表面は、典型的には、第2電極の第2金属イオンと接触していた部分に対応する。担持されているとは、基体の表面の少なくとも一部が金属カーバイド組成物によって被覆されている状態を含む。 The metal carbide composition may be supported on at least a portion of the surface of the substrate. The surface of the substrate typically corresponds to the portion of the second electrode that was in contact with the second metal ion. Supported includes a state in which at least a portion of the surface of the substrate is coated with the metal carbide composition.
炭素含有部材の中心(または重心)を通る断面に対して、エネルギー分散型X線分析(EDX)による元素分析を行うと、当該断面に第2金属および炭素が検出される。基体(第2電極)は通常、第2金属を含有しないため、第2金属および炭素の検出は、第2金属カーバイドの存在を示しているとみて差し支えない。 When elemental analysis is performed by energy dispersive X-ray analysis (EDX) on a cross section passing through the center (or center of gravity) of the carbon-containing component, the second metal and carbon are detected in the cross section. Since the substrate (second electrode) does not normally contain the second metal, the detection of the second metal and carbon can be safely taken as indicating the presence of a second metal carbide.
[炭化水素の製造方法]
本開示は、第2金属カーバイドから、炭化水素を製造する方法を包含する。すなわち、本開示に係る炭化水素の製造方法は、上記の電極作製工程および電解工程と、第2金属のカーバイドを加水分解して、炭化水素を含むガスを得ることと、を含む。図2は、本開示に係る炭化水素の製造方法を示すフローチャートである。
[Method of producing hydrocarbons]
The present disclosure includes a method for producing hydrocarbons from a second metal carbide. That is, the method for producing hydrocarbons according to the present disclosure includes the above-mentioned electrode preparation step, electrolysis step, and hydrolysis of the second metal carbide to obtain a gas containing hydrocarbons. Figure 2 is a flow chart showing the method for producing hydrocarbons according to the present disclosure.
(1)電極作製工程(S11,S12)
上記の金属カーバイドの製造方法における電極作製工程(S11およびS12)と同様にして、第2電極を作製する。
(1) Electrode preparation process (S11, S12)
The second electrode is produced in the same manner as in the electrode production steps (S11 and S12) in the above-mentioned method for producing metal carbide.
(2)電解工程(S2)
上記の金属カーバイドの製造方法における電解工程と同様にして、第2溶融塩に電圧を印加する。これにより、第2金属カーバイドを含む組成物が得られる。
(2) Electrolysis process (S2)
In the same manner as in the electrolysis step in the above-mentioned method for producing a metal carbide, a voltage is applied to the second molten salt, thereby obtaining a composition containing the second metal carbide.
(3)金属カーバイドの加水分解(S3)
次に、第2金属カーバイドに水を接触させて、加水分解する。これにより、目的とする炭化水素を含むガスが得られる。本開示によれば、炭化水素の生成に関するファラデー効率eが向上する。炭化水素は、通常、水への溶解度が低い。そのため、生成した炭化水素は速やかに気相中へと排出され、回収される。
(3) Hydrolysis of metal carbides (S3)
Next, the second metal carbide is brought into contact with water to be hydrolyzed. This results in the production of a gas containing the target hydrocarbon. According to the present disclosure, the Faraday efficiency e for the production of the hydrocarbon is improved. Hydrocarbons usually have low solubility in water. Therefore, the produced hydrocarbons are quickly discharged into the gas phase and collected.
金属のカーバイド組成物から第2金属カーバイドを単離して加水分解してもよい。単離は、例えば、金属のカーバイド組成物を粉砕し、比重差を利用する方法により実施される。あるいは、金属のカーバイド組成物をそのまま加水分解してもよい。例えば、金属カーバイド組成物が析出した電極(本開示に係る「炭素含有部材」であり得る。)をそのまま水に接触させる。 The second metal carbide may be isolated from the metal carbide composition and hydrolyzed. Isolation is performed, for example, by crushing the metal carbide composition and utilizing the difference in specific gravity. Alternatively, the metal carbide composition may be hydrolyzed as is. For example, an electrode on which the metal carbide composition has been precipitated (which may be the "carbon-containing member" according to the present disclosure) is brought into contact with water as is.
得られる炭化水素としては、例えば、メタン、エタン、エチレン、アセチレン(C2H2)、メチルアセチレン、プロパン、プロピレン、ブタン、ブテンが挙げられる。単離した第1金属カーバイドを使用する場合や、組成物に含まれる副生成物量(特に、金属の単体)が少ない場合、主成分としては、アセチレンが得られる。主成分とは、回収されるガスの全質量の50質量%以上を占める成分である。アセチレンは、工業的に重要な炭化水素である。 Examples of the obtained hydrocarbons include methane, ethane, ethylene, acetylene ( C2H2 ), methylacetylene, propane, propylene, butane , and butene. When an isolated first metal carbide is used or when the amount of by-products (particularly, elemental metals) contained in the composition is small, acetylene is obtained as the main component. The main component is a component that accounts for 50% by mass or more of the total mass of the gas recovered. Acetylene is an industrially important hydrocarbon.
得られるガスには、炭化水素の他、副生成物として、水蒸気、水素、窒素、酸素が含まれ得る。副生成物量は、回収されるガスの10質量%以下が好ましく、1質量%以下がより好ましい。副生成物量は、回収されるガスの0.0001質量%以上であってよく、0.001質量%以上であってよい。一態様において、副生成物量は、回収されるガスの0.0001質量%以上1質量%以下である。 In addition to hydrocarbons, the gas obtained may contain water vapor, hydrogen, nitrogen, and oxygen as by-products. The amount of by-products is preferably 10% by mass or less of the gas recovered, and more preferably 1% by mass or less. The amount of by-products may be 0.0001% by mass or more of the gas recovered, or may be 0.001% by mass or more. In one embodiment, the amount of by-products is 0.0001% by mass or more and 1% by mass or less of the gas recovered.
得られるガスは、炭化水素としてアセチレンを含み、さらに、エチレン、エタン、メタン、メチルアセチレン、プロピレン、ブテンおよび水素よりなる群から選択される少なくとも1種を含み得る。 The resulting gas contains acetylene as a hydrocarbon, and may further contain at least one selected from the group consisting of ethylene, ethane, methane, methylacetylene, propylene, butene, and hydrogen.
炭化水素および副生成物の存在確認およびそれらの定量は、例えば、回収されるガスのガスクロマトグラフ質量分析(GC-MS分析)、ガスセルを備えたフーリエ変換式赤外吸収分光分析(FT-IR分析)、紫外―可視吸収分光分析(UV-Vis分析)により行うことができる。 The presence of hydrocarbons and by-products can be confirmed and their quantity determined, for example, by gas chromatography mass spectrometry (GC-MS analysis) of the recovered gas, Fourier transform infrared absorption spectrometry (FT-IR analysis) equipped with a gas cell, or ultraviolet-visible absorption spectrometry (UV-Vis analysis).
組成物に接触させる水の量は、組成物の質量に応じて適宜設定される。上記の水の量は、例えば、組成物中に含まれる金属カーバイドおよび金属の加水分解に必要な量以上である。加えて、組成物全体が浸漬でき、加水分解時の発熱による蒸発を考慮した量の水を使用することが望ましい。 The amount of water to be brought into contact with the composition is appropriately set depending on the mass of the composition. The amount of water is, for example, at least the amount necessary for hydrolysis of the metal carbide and metal contained in the composition. In addition, it is desirable to use an amount of water that allows the entire composition to be immersed and that takes into account evaporation due to heat generated during hydrolysis.
第2金属カーバイドの加水分解により、炭化水素とともに、第2金属の水酸化物も生成する。例えば、カルシウムカーバイドを加水分解すると、アセチレンとともに水酸化カルシウムが生成する(式10)。
(式10) CaC2+2H2O → C2H2+Ca(OH)2
Hydrolysis of the second metal carbide produces a hydroxide of the second metal along with the hydrocarbons. For example, the hydrolysis of calcium carbide produces calcium hydroxide along with acetylene (Equation 10).
(Formula 10) CaC 2 +2H 2 O → C 2 H 2 +Ca(OH) 2
第2実施形態
本実施形態は、第1実施形態とは、電極作製工程と電解工程とで、用いた電解浴を変えた点で相違する。この相違点を以下に説明する。本実施形態において、金属カーバイドの製造方法のその他の構成は第1実施形態と同じであるため、その説明を省略する。本実施形態において、炭化水素の製造方法、および炭素含有部材の構成は第1実施形態と同じであるため、その説明を省略する。
Second embodiment This embodiment differs from the first embodiment in that the electrolytic bath used in the electrode preparation step and the electrolysis step is different. This difference will be described below. In this embodiment, the other configurations of the method for producing metal carbide are the same as those in the first embodiment, so their description will be omitted. In this embodiment, the method for producing hydrocarbons and the configuration of the carbon-containing member are the same as those in the first embodiment, so their description will be omitted.
本実施形態では、電極作製工程で使用された第1溶融塩とは別に調製された第2溶融塩を、電解工程に用いる。電極作製工程で用いられた第1溶融塩には、炭素源であった炭酸イオンが残存している可能性がある。本実施形態では、炭酸イオンを実質的に含まない第2溶融塩を準備することができるため、副反応が抑制されて、第2金属カーバイドの収率およびファラデー効率がより向上し得る。 In this embodiment, a second molten salt prepared separately from the first molten salt used in the electrode preparation process is used in the electrolysis process. The first molten salt used in the electrode preparation process may contain residual carbonate ions, which were the carbon source. In this embodiment, a second molten salt that is substantially free of carbonate ions can be prepared, thereby suppressing side reactions and further improving the yield and faradaic efficiency of the second metal carbide.
第3実施形態
本実施形態は、第1実施形態とは、第1電極の材質が相違する。この相違点を以下に説明する。本実施形態において、金属カーバイドの製造方法のその他の構成は第1実施形態と同じであるため、その説明を省略する。本実施形態において、炭化水素の製造方法、および炭素含有部材の構成は第1実施形態と同じであるため、その説明を省略する。
Third embodiment This embodiment differs from the first embodiment in the material of the first electrode. This difference will be described below. In this embodiment, the other configurations of the method for producing metal carbide are the same as those of the first embodiment, so their description will be omitted. In this embodiment, the method for producing hydrocarbons and the configuration of the carbon-containing member are the same as those of the first embodiment, so their description will be omitted.
本実施形態では、Fe板を第1電極として用いる。この場合、基体と、当該基体の少なくとも一部を覆う、アルカリ金属およびアルカリ土類金属よりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド層と、金属カーバイド層の少なくとも一部を覆い、かつ、炭素を含み、第2金属カーバイドを実質的に含まないカーボン層と、を備える炭素含有部材が形成され得る。このような炭素含有部材は、湿気を含む大気中で保管してもカーバイドの分解を抑制することができる。第2金属カーバイドの有無は、例えば、ラマン分光分析により確認することができる。 In this embodiment, an Fe plate is used as the first electrode. In this case, a carbon-containing member can be formed that includes a substrate, a metal carbide layer that covers at least a portion of the substrate and contains at least one carbide of a second metal selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals, and a carbon layer that covers at least a portion of the metal carbide layer, contains carbon, and is substantially free of the second metal carbide. Such a carbon-containing member can suppress decomposition of carbide even when stored in a humid atmosphere. The presence or absence of the second metal carbide can be confirmed, for example, by Raman spectroscopy.
「第2金属カーバイドを実質的に含まない」は、炭化水素の発生に寄与しない程度の第2金属カーバイドの存在を許容する。カーボン層は、例えば、10,000ppm以下程度の第2金属カーバイドを含んでいてよい。カーボン層における第2金属カーバイド濃度は、1000ppm以下であってよく、500ppm以下であってよく、0ppmであってよい。 "Substantially free of second metal carbide" allows the presence of second metal carbide to an extent that does not contribute to the generation of hydrocarbons. The carbon layer may contain, for example, about 10,000 ppm or less of second metal carbide. The second metal carbide concentration in the carbon layer may be 1000 ppm or less, 500 ppm or less, or 0 ppm.
以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示はこれらに限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。 Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above, the present disclosure is not limited to these, and design changes are possible without departing from the gist of the present disclosure.
上記の実施形態では、炭酸イオン源として二酸化炭素を用いたが、これに限定されない。炭酸イオン源は、任意の金属の炭酸塩であってよい。第1金属の炭酸塩を用いると、電離によって、第1金属イオンと炭酸イオンとが生じる。第1金属の炭酸塩は、例えば、第1金属の水酸化物と二酸化炭素とを反応させることによって合成できる。 In the above embodiment, carbon dioxide is used as the carbonate ion source, but the present invention is not limited to this. The carbonate ion source may be any metal carbonate. When a carbonate of a first metal is used, the first metal ion and carbonate ion are generated by ionization. The carbonate of the first metal can be synthesized, for example, by reacting a hydroxide of the first metal with carbon dioxide.
上記の実施形態では、第1電極(陰極)としてSUS304またはFeからなる電極を用いたが、これに限定されない。第1電極は、その他の金属材料を含んでいてよく、カーボン材料から形成されていてよい。第1電極は、また、グラッシーカーボン、天然黒鉛、等方性黒鉛、熱分解グラファイト、プラスチックフォームドカーボンおよび導電性ダイヤモンド等のカーボン材料を含んでいてよく、カーボン材料から形成されていてよい。 In the above embodiment, an electrode made of SUS304 or Fe is used as the first electrode (cathode), but this is not limited thereto. The first electrode may contain other metal materials and may be formed from a carbon material. The first electrode may also contain carbon materials such as glassy carbon, natural graphite, isotropic graphite, pyrolytic graphite, plastic formed carbon, and conductive diamond, and may be formed from a carbon material.
第1実施形態では、得られる炭素含有部材は、基体と、当該基体に担持された第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド組成物とを備えているがこれに限定されない。第1実施形態で示す方法により得られる炭素含有部材は、基体と、金属カーバイド層と、カーボン層とを備えていてよい。 In the first embodiment, the carbon-containing member obtained includes a substrate and a metal carbide composition containing a carbide of a second metal supported on the substrate, but is not limited thereto. The carbon-containing member obtained by the method shown in the first embodiment may include a substrate, a metal carbide layer, and a carbon layer.
第3実施形態では、得られる炭素含有部材は、基体と、金属カーバイド層と、カーボン層とを備えているがこれに限定されない。第3実施形態で示す方法により得られる炭素含有部材は、基体と、当該基体に担持された第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド組成物とを備えていてよい。 In the third embodiment, the carbon-containing member obtained includes, but is not limited to, a substrate, a metal carbide layer, and a carbon layer. The carbon-containing member obtained by the method shown in the third embodiment may include a substrate and a metal carbide composition that includes a carbide of a second metal supported on the substrate.
以下の実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。 The present invention will be explained in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these.
[実施例1-1]
(1)電極作製工程
共晶組成のLiCl、KCl、CaCl2(LiCl/KCl/CaCl2=52.3モル%/11.6モル%/36.1モル%)に対し、3.0モル%のCaOを混合し(すなわち、LiCl/KCl/CaCl2/CaO=50.8モル%/11.3モル%/35.0モル%/2.9モル%)、200℃、100Pa以下で24時間以上真空乾燥した。この混合塩を石英製容器にそれぞれ収めて電気炉にセットし、450℃に加熱した。このようにして、LiCl-KCl-CaCl2-CaOの溶融塩を得た。
[Example 1-1]
(1) Electrode preparation process 3.0 mol% CaO was mixed with the eutectic composition of LiCl, KCl, and CaCl (LiCl/KCl/ CaCl = 52.3 mol%/11.6 mol%/36.1 mol%) (i.e., LiCl/KCl/CaCl/CaO = 50.8 mol%/11.3 mol%/35.0 mol%/2.9 mol%), and vacuum dried at 200°C and 100 Pa or less for 24 hours or more. The mixed salts were placed in quartz containers, set in an electric furnace, and heated to 450°C. In this way, a molten salt of LiCl-KCl-CaCl- CaO was obtained.
次いで、上記容器の蓋に、作用極(1.0cm×1.0cm、SUS304)、対極(白金コイル)および参照極(Ag+/Ag)を取り付けて、この蓋で容器を密閉した。容器内の450℃の溶融塩に、CO2を流量100mL/分で30分間以上吹き込んだ。続いて、ポテンショ・ガルバノスタットを用いて、参照極に対する作用極の電位を0.9Vに維持しながら、30分間電圧を印加した。作用極上に析出物が析出していることを確認した。実験操作は、すべて高純度アルゴン雰囲気を保持したグローブボックス内で行った。 Next, a working electrode (1.0 cm x 1.0 cm, SUS304), a counter electrode (platinum coil) and a reference electrode (Ag + /Ag) were attached to the lid of the container, and the container was sealed with the lid. CO 2 was blown into the molten salt at 450 ° C. in the container at a flow rate of 100 mL / min for 30 minutes or more. Next, a voltage was applied for 30 minutes using a potentio-galvanostat while maintaining the potential of the working electrode relative to the reference electrode at 0.9 V. It was confirmed that a precipitate was deposited on the working electrode. All experimental operations were performed in a glove box maintained in a high-purity argon atmosphere.
(2)電解工程
続いて、同じ電解浴および電極を用いて、電解を行った。具体的には、ポテンショ・ガルバノスタットを用いて、参照極に対する作用極の電位を0.3Vに維持しながら、30分間電圧を印加した。作用極上に析出物が析出していることを確認した。実験操作は、すべて高純度アルゴン雰囲気を保持したグローブボックス内で行った。作用極の電位は、参照極(Ag+/Ag)と陰極間の電位を測定し、Li-Ca合金析出電位を基準として較正した値である。
(2) Electrolysis step Subsequently, electrolysis was performed using the same electrolytic bath and electrodes. Specifically, a voltage was applied for 30 minutes using a potentio-galvanostat while maintaining the potential of the working electrode relative to the reference electrode at 0.3 V. It was confirmed that a deposit was deposited on the working electrode. All experimental operations were performed in a glove box that maintained a high-purity argon atmosphere. The potential of the working electrode was a value obtained by measuring the potential between the reference electrode (Ag + /Ag) and the cathode and calibrating it based on the Li-Ca alloy deposition potential.
(3)炭化水素の製造
析出物を密閉した試験管に収めた。この試験管に、常温下(23℃)で、純水を少量ずつ加え、析出物の加水分解を行った。加えた水の全量は2.5mlであった。試験管内で発泡が生じているのを確認した後、発泡が見られなくなるまで試験管を静置した。続いて、ガスタイトシリンジを用いて、試験管内のガス100μl(マイクロリットル)を採取した。
(3) Production of Hydrocarbons The precipitate was placed in a sealed test tube. Pure water was added to the test tube in small amounts at room temperature (23°C) to hydrolyze the precipitate. The total amount of water added was 2.5 ml. After confirming that foaming was occurring in the test tube, the test tube was left to stand until foaming was no longer observed. Next, 100 μl (microliters) of gas was collected from the test tube using a gas-tight syringe.
ガスクロマトグラフ(GC)装置を用いて、得られたガスに対してGC-MS分析を行って、主成分として、C2H2が生成されていることを確認した。さらに、メタン、エタン、水素が副生していることを確認した。その他、水、二酸化炭素、窒素、酸素およびアルゴンを含有していた。各成分の生成量も、併せて確認した。回収したガスに占めるC2H2の質量割合は50質量%より十分多かった。 Using a gas chromatograph (GC) device, the obtained gas was subjected to GC-MS analysis, and it was confirmed that C 2 H 2 was produced as the main component. Furthermore, it was confirmed that methane, ethane, and hydrogen were by-produced. In addition, the gas contained water, carbon dioxide, nitrogen, oxygen, and argon. The amount of each component produced was also confirmed. The mass ratio of C 2 H 2 in the recovered gas was sufficiently more than 50 mass%.
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約2.2%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。炭化水素ガス生成に関するファラデー効率が高いほど、金属カーバイド生成に関するファラデー効率も高いといえる。 The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 2.2 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the precipitate contains CaC2 as a main component. It can be said that the higher the Faraday efficiency of hydrocarbon gas generation, the higher the Faraday efficiency of metal carbide generation.
[実施例1-2]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程では0.6Vに維持し、電解工程においては0.1Vに維持したこと以外は、実施例1-1と同様にして電解および加水分解を行った。
[Example 1-2]
Electrolysis and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 1-1, except that the potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.6 V in the electrode preparation step and at 0.1 V in the electrolysis step.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約9.1%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 9.1 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例2-1]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程では0.3Vに維持し、電解工程においては0.1Vに維持した。また、電解工程において、電極は変更せずに、別途調製された電解浴を用いた。これら以外は、実施例1-1と同様にして、電解および加水分解を行った。電解工程で用いられた電解浴は、実施例1-1と同様にして調製した。
[Example 2-1]
The potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.3 V in the electrode preparation step, and at 0.1 V in the electrolysis step. In addition, in the electrolysis step, the electrode was not changed, and a separately prepared electrolytic bath was used. Other than these, electrolysis and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 1-1. The electrolytic bath used in the electrolysis step was prepared in the same manner as in Example 1-1.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約21.5%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
Regarding the generation of C2H2 gas, the Faraday efficiency throughout the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 21.5 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例2-2]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程では0.1Vに維持し、電解工程においては0.1Vに維持したこと以外は、実施例2-1と同様にして電解および加水分解を行った。
[Example 2-2]
Electrolysis and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 2-1, except that the potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.1 V in the electrode preparation step and at 0.1 V in the electrolysis step.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約34.6%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 34.6 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例3-1]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程および電解工程において0.3Vに維持した。また、電解工程をCO2雰囲気下で行った。これら以外は、実施例1-1と同様にして、電解および加水分解を行った。
[Example 3-1]
The potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.3 V in the electrode preparation step and the electrolysis step. The electrolysis step was also carried out in a CO2 atmosphere. Except for these, electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Example 1-1.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約8.4%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 8.4 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例3-2]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程および電解工程において0.1Vに維持したこと以外は、実施例3-1と同様にして電解および加水分解を行った。
[Example 3-2]
Electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Example 3-1, except that the potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.1 V in the electrode preparation step and the electrolysis step.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約10.3%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 10.3 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例4-1]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程では0.3Vに維持し、電解工程においては0.1Vに維持した。また、電極作製工程の後、電極を一旦電解浴から取り出し、30分後、再び同じ浴に入れて電解工程を行ったこと以外は、実施例3-1と同様にして、電解および加水分解を行った。
[Example 4-1]
The potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.3 V in the electrode preparation step, and was maintained at 0.1 V in the electrolysis step. In addition, electrolysis and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 3-1, except that after the electrode preparation step, the electrode was temporarily removed from the electrolysis bath, and after 30 minutes, the electrode was placed in the same bath again to perform the electrolysis step.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約4.5%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 4.5 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例4-2]
参照極に対する作用極の電位を、電極作製工程および電解工程において0.1Vに維持したこと以外は、実施例4-1と同様にして電解および加水分解を行った。
[Example 4-2]
Electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Example 4-1, except that the potential of the working electrode relative to the reference electrode was maintained at 0.1 V in the electrode preparation step and the electrolysis step.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約2.8%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
The Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 2.8 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例5-1~5-49]
溶融塩の組成、陰極の材質および電解条件を、表5および表6に示すように変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして電極作製工程および加水分解を行った。
[Examples 5-1 to 5-49]
Except for changing the composition of the molten salt, the material of the cathode, and the electrolysis conditions as shown in Tables 5 and 6, the electrode preparation step and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 1-1.
実施例5-23から5-49において、作用極の電位は、参照極(Ag+/Ag)と陰極間の電位を測定し、Na-K-Ca合金析出電位を基準として較正した値である。実施例5-31から5-49では、溶融塩に予めCaC2を溶融塩に対して7.0モル%添加した。 In Examples 5-23 to 5-49, the potential of the working electrode was measured by measuring the potential between the reference electrode (Ag + /Ag) and the cathode, and was calibrated based on the Na-K-Ca alloy deposition potential. In Examples 5-31 to 5-49, 7.0 mol% of CaC2 was added to the molten salt in advance.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。加水分解は、電極作製工程で作製された作用極(第2電極に対応)上に析出した析出物に対して行った。表中のファラデー効率は、当該電極作製工程で析出した析出物によるC2H2ガス生成に関する数値である。このファラデー効率が大きいほど、電極作製工程で析出したCaC2量が多いことを示す。電極作製工程におけるC2H2ガス生成に関するファラデー効率が大きいと、電極作製工程および電解工程を通したC2H2ガス生成に関するファラデー効率も大きくなると言える。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。 It was confirmed that a precipitate was deposited on the working electrode. Hydrolysis was performed on the precipitate deposited on the working electrode (corresponding to the second electrode) prepared in the electrode preparation process. The Faraday efficiency in the table is a value related to the generation of C2H2 gas by the precipitate deposited in the electrode preparation process. The larger this Faraday efficiency, the greater the amount of CaC2 deposited in the electrode preparation process. It can be said that if the Faraday efficiency related to the generation of C2H2 gas in the electrode preparation process is large, the Faraday efficiency related to the generation of C2H2 gas through the electrode preparation process and the electrolysis process will also be large. Since C2H2 gas is generated , it can be understood that the precipitate deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as a main component.
[実施例6-1]
積算電気量を2000Cとしたこと以外は、実施例5-45と同様にして、電解および加水分解を行った。
[Example 6-1]
Electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Example 5-45, except that the accumulated amount of electricity was set to 2000C.
XRD分析から、電極作製工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCの多結晶体を含み、副生成物としてCaC2を含むことが確認された。 From the XRD analysis, it was confirmed that the precipitate deposited on the working electrode by the electrode preparation process contained polycrystalline C as the main component and CaC2 as a by-product.
図3Aは、実施例6-1の電解工程前の作用極の外観を示す写真である。図3Bは、実施例6-1の電解工程後の作用極の外観を示す写真である。作用極の表面に、黒色の析出物が確認でき、倍以上の大きさに肥大していることがわかる。図3Cは、実施例6-1の電解工程後の作用極に析出した析出物の断面写真である。図3Cから、当該析出物は層構造を有していることが確認された。さらに、ラマン分光分析の結果、断面に水をかけると内部層からのみガスの発生が確認されたこと、および、析出物に火を近づけると発火が認められたことから、内部層はカルシウムカーバイドを主成分とする金属カーバイド層であり、外側の層は、炭素を含むが、実質的にカルシウムカーバイドを含まないカーボン層であることが確認された。 Figure 3A is a photograph showing the appearance of the working electrode before the electrolysis process of Example 6-1. Figure 3B is a photograph showing the appearance of the working electrode after the electrolysis process of Example 6-1. A black precipitate can be seen on the surface of the working electrode, and it can be seen that it has swelled to more than double its size. Figure 3C is a cross-sectional photograph of the precipitate deposited on the working electrode after the electrolysis process of Example 6-1. From Figure 3C, it was confirmed that the precipitate has a layered structure. Furthermore, as a result of Raman spectroscopy, it was confirmed that gas was generated only from the inner layer when water was poured on the cross section, and that ignition was confirmed when fire was brought close to the precipitate, so it was confirmed that the inner layer was a metal carbide layer mainly composed of calcium carbide, and the outer layer was a carbon layer that contained carbon but did not substantially contain calcium carbide.
[実施例6-2]
積算電気量を500Cとしたこと以外は、実施例6-1と同様にして、電解および加水分解を行った。
図4Aは、実施例6-2の電解工程後の作用極の外観を示す写真である。図4Bは、同じく実施例6-2の電解工程後の作用極に析出した析出物の断面を、顕微ラマン分光分析装置を用いて観察した光学顕微鏡写真である。図4Bには、電解工程後の作用極の模式断面図も併せて示している。光学顕微鏡写真は、当該模式断面図の四角で囲まれた部分に相当する。図4Bにおいて、地点Aは析出物外側の黒色部分を、地点Bは析出物内側の灰色部分を、地点Cは作用極のFe基板を、それぞれ示す。図4Bから、当該析出物は層構造を有していることが確認された。
[Example 6-2]
Electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Example 6-1, except that the accumulated amount of electricity was set to 500C.
FIG. 4A is a photograph showing the appearance of the working electrode after the electrolysis step of Example 6-2. FIG. 4B is an optical microscope photograph of a cross section of a deposit deposited on the working electrode after the electrolysis step of Example 6-2, observed using a micro-Raman spectroscopic analyzer. FIG. 4B also shows a schematic cross-sectional view of the working electrode after the electrolysis step. The optical microscope photograph corresponds to the part surrounded by a square in the schematic cross-sectional view. In FIG. 4B, point A indicates the black part outside the deposit, point B indicates the gray part inside the deposit, and point C indicates the Fe substrate of the working electrode. It was confirmed from FIG. 4B that the deposit has a layer structure.
図4Cは、点A~Cにおいて、ラマン分光分析を行った結果を示すグラフである。この結果から、析出物内側(地点B)は、カルシウムカーバイドを主成分とする金属カーバイド層であり、析出物外側(地点A)は、炭素を含むが、カルシウムカーバイドを実質的に含まないカーボン層であることが確認された。 Figure 4C is a graph showing the results of Raman spectroscopy analysis at points A to C. From these results, it was confirmed that the inside of the precipitate (point B) is a metal carbide layer mainly composed of calcium carbide, and the outside of the precipitate (point A) is a carbon layer that contains carbon but is substantially free of calcium carbide.
[実施例7-1]
(1)電極作製工程
NaCl、KCl、CaCl2(NaCl/KCl/CaCl2=33.4モル%/11.6モル%/55.0モル%)に対し、3.0モル%のCaOを混合し(すなわち、NaCl/KCl/CaCl2/CaO=32.4モル%/11.3モル%/53.4モル%/2.9モル%)、200℃、100Pa以下で24時間以上真空乾燥した。この混合塩をNi製容器にそれぞれ収めて電気炉にセットし、550℃に加熱した。このようにして、NaCl-KCl-CaCl2-CaOの溶融塩を得た。
[Example 7-1]
(1) Electrode Preparation Step 3.0 mol% CaO was mixed with NaCl, KCl, and CaCl 2 (NaCl/KCl/CaCl 2 = 33.4 mol%/11.6 mol%/55.0 mol%) (i.e., NaCl/KCl/CaCl 2 /CaO = 32.4 mol%/11.3 mol%/53.4 mol%/2.9 mol%), and vacuum dried at 200°C and 100 Pa or less for 24 hours or more. The mixed salts were placed in Ni containers, set in an electric furnace, and heated to 550°C. In this way, a molten salt of NaCl-KCl-CaCl 2 -CaO was obtained.
次いで、上記容器の蓋に、作用極(1.0cm×1.0cm、Fe)、対極(白金)および参照極(Ag+/Ag)を取り付けて、この蓋で容器を密閉した。容器内の550℃の溶融塩に、CO2を流量100mL/分で60分間以上吹き込んだ。容器内の気相部分はCO2雰囲気を維持したまま、ポテンショ・ガルバノスタットを用いて、参照極に対する作用極の電位を0.3Vに維持しながら、30分間電圧を印加した。作用極の電位は、参照極(Ag+/Ag)と陰極間の電位を測定し、Na-K-Ca合金析出電位を基準として較正した値である。 Next, a working electrode (1.0 cm x 1.0 cm, Fe), a counter electrode (platinum) and a reference electrode (Ag + /Ag) were attached to the lid of the container, and the container was sealed with the lid. CO 2 was blown into the molten salt at 550 ° C. in the container at a flow rate of 100 mL / min for 60 minutes or more. While maintaining the CO 2 atmosphere in the gas phase part in the container, a voltage was applied for 30 minutes while maintaining the potential of the working electrode with respect to the reference electrode at 0.3 V using a potentio-galvanostat. The potential of the working electrode was a value obtained by measuring the potential between the reference electrode (Ag + /Ag) and the cathode and calibrating it based on the Na-K-Ca alloy deposition potential.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。実験操作は、すべて高純度アルゴン雰囲気を保持したグローブボックス内で行った。 It was confirmed that a deposit had formed on the working electrode. All experimental operations were carried out in a glove box containing a high-purity argon atmosphere.
(2)電解工程
続いて、別途準備した上記と同じ組成を有する電解浴および上記電極作製工程で得られた電極を用いて、電解を行った。具体的には、ポテンショ・ガルバノスタットを用いて、参照極に対する作用極の電位を0.3Vに維持しながら、30分間電圧を印加した。作用極上に析出物が析出していることを確認した。実験操作は、容器内の気相部分を含め、すべて高純度アルゴン雰囲気を保持したグローブボックス内で行った。
(2) Electrolysis step Subsequently, electrolysis was performed using an electrolytic bath having the same composition as above and the electrode obtained in the electrode preparation step, which were separately prepared. Specifically, a voltage was applied for 30 minutes using a potentio-galvanostat while maintaining the potential of the working electrode relative to the reference electrode at 0.3 V. It was confirmed that a deposit was deposited on the working electrode. The experimental operation was performed in a glove box that maintained a high-purity argon atmosphere, including the gas phase portion in the container.
(3)炭化水素の製造
析出物を密閉した試験管に収めた。この試験管に、常温下(23℃)で、純水を少量ずつ加え、析出物の加水分解を行った。加えた水の全量は2.5mlであった。試験管内で発泡が生じているのを確認した後、発泡が見られなくなるまで試験管を静置した。続いて、ガスタイトシリンジを用いて、試験管内のガス100μl(マイクロリットル)を採取した。発生したガスの体積は、水上置換法により測定した。
(3) Production of Hydrocarbons The precipitate was placed in a sealed test tube. Pure water was added to the test tube in small amounts at room temperature (23°C) to hydrolyze the precipitate. The total amount of water added was 2.5 ml. After confirming that foaming was occurring in the test tube, the test tube was left to stand until foaming was no longer observed. Then, 100 μl (microliters) of gas was collected from the test tube using a gas-tight syringe. The volume of the generated gas was measured by the water displacement method.
ガスクロマトグラフ(GC)装置を用いて、得られたガスに対してGC-MS分析を行って、主成分として、C2H2が生成されていることを確認した。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。さらに、メタン、エタン、水素が副生していることを確認した。その他、水、二酸化炭素、窒素、酸素およびアルゴンを含有していた。各成分の生成量も、併せて確認した。回収したガスに占めるC2H2の質量割合は50質量%より十分多かった。 Using a gas chromatograph (GC) device, GC-MS analysis was performed on the obtained gas, and it was confirmed that C 2 H 2 was generated as the main component. Since C 2 H 2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC 2 as the main component. Furthermore, it was confirmed that methane, ethane, and hydrogen were by-produced. In addition, it contained water, carbon dioxide, nitrogen, oxygen, and argon. The amount of each component generated was also confirmed. The mass ratio of C 2 H 2 in the recovered gas was sufficiently more than 50 mass%.
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率は、約42.8%と算出された。C2H2ガスが生成していることから、析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。 The Faraday efficiency of C2H2 gas generation throughout the electrode preparation process and the electrolysis process was calculated to be about 42.8 %. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the precipitate contains CaC2 as a main component.
[実施例7-2~7-6]
電解条件を表7に示すように変更したこと以外は、実施例7-1と同様にして、電解および加水分解を行った。
[Examples 7-2 to 7-6]
Electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Example 7-1, except that the electrolysis conditions were changed as shown in Table 7.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。
C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率を表7に示す。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。
It was confirmed that a deposit was formed on the working electrode.
Regarding the generation of C2H2 gas , the Faraday efficiency throughout the electrode preparation process and the electrolysis process is shown in Table 7. Since C2H2 gas is generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as the main component.
[実施例8-1~8-6]
電解条件を表7に示すように変更し、電解工程の際に溶融塩にCaC2を溶融塩に対して1.0モル%添加したこと以外は、実施例7-1と同様にして電解および加水分解を行った。
[Examples 8-1 to 8-6]
The electrolysis conditions were changed as shown in Table 7, and electrolysis and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 7-1, except that CaC2 was added to the molten salt in an amount of 1.0 mol% relative to the molten salt during the electrolysis process.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率を表7に示す。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。 It was confirmed that a deposit was deposited on the working electrode. Table 7 shows the Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as a main component.
[実施例9-1~9-6]
電解条件を表7に示すように変更し、電解工程の際に溶融塩にCaC2を溶融塩に対して7.0モル%添加したこと以外は、実施例7-1と同様にして電解および加水分解を行った。
[Examples 9-1 to 9-6]
The electrolysis conditions were changed as shown in Table 7, and electrolysis and hydrolysis were performed in the same manner as in Example 7-1, except that CaC2 was added to the molten salt in an amount of 7.0 mol% relative to the molten salt during the electrolysis process.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率を表7に示す。C2H2ガスが生成していることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。 It was confirmed that a deposit was deposited on the working electrode. Table 7 shows the Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process. Since C2H2 gas was generated, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as a main component.
[実施例10-1~10-3]
電極作製工程後、電極を浴から一旦取り出し、30分後、再度同じ浴に入れて電解工程を実施したこと以外は実施例7-1、実施例7-3、実施例7-5と同様にして、それぞれ電解および加水分解を行った。電解条件は表7に示した通りに実施され、電解工程はCO2雰囲気で行った。
[Examples 10-1 to 10-3]
After the electrode preparation process, the electrodes were removed from the bath, and after 30 minutes, they were placed in the same bath again to carry out the electrolysis process. Except for this, electrolysis and hydrolysis were carried out in the same manner as in Examples 7-1, 7-3, and 7-5. The electrolysis conditions were as shown in Table 7, and the electrolysis process was carried out in a CO2 atmosphere.
作用極上に析出物が析出していることを確認した。C2H2ガス生成に関し、電極作製工程および電解工程を通したファラデー効率を表7に示す。C2H2ガスの生成量は測定していないが、ファラデー効率がいずれも0.1%以上であることから、電解工程により作用極上に析出した析出物は、主成分としてCaC2を含むことが理解できる。 It was confirmed that a deposit was deposited on the working electrode. Table 7 shows the Faraday efficiency of C2H2 gas generation through the electrode preparation process and the electrolysis process. Although the amount of C2H2 gas generated was not measured, it can be understood that the deposit deposited on the working electrode by the electrolysis process contains CaC2 as a main component, since the Faraday efficiency was 0.1% or more in both cases.
C2H2生成に関するファラデー効率eは、以下のようにして算出した。
まず、GC-MS分析から得られるピークの合計面積と検量線とから、回収したガスに含まれるC2H2の体積割合を算出した。次いで、回収容器内の気相が占める体積と、算出されたガスに占めるC2H2の体積割合とから、C2H2の生成体積を算出した。最後に、発生したC2H2は標準状態(0℃、101kPa)にあったとして、下記の式により、ファラデー効率e(%)を算出した。
First, the volume ratio of C2H2 contained in the collected gas was calculated from the total area of the peaks obtained from the GC-MS analysis and the calibration curve. Next, the volume of C2H2 generated was calculated from the volume of the gas phase in the collection vessel and the calculated volume ratio of C2H2 in the gas . Finally, the Faraday efficiency e (%) was calculated by the following formula, assuming that the generated C2H2 was in standard conditions (0°C, 101 kPa).
表1および4から理解されるように、いずれの電解法によっても、目的の第2金属カーバイドが高いファラデー効率で得られている。特に、実施例2、3および4のシリーズでは、ファラデー効率がより高い。これは、電極作製工程における電位が卑であったため、炭素が十分に析出したことを示している。なかでも、実施例2のシリーズのファラデー効率が非常に高い。これは、電解工程をAr雰囲気で行い、かつ、電極作製工程と電解工程とで電解浴を変更したことにより、第2溶融塩中の炭酸イオン濃度が低かったことによると考えられる。 As can be seen from Tables 1 and 4, the desired second metal carbide was obtained with high Faraday efficiency by either electrolysis method. In particular, the series of Examples 2, 3, and 4 had higher Faraday efficiency. This indicates that carbon was sufficiently precipitated because the potential in the electrode preparation process was base. In particular, the series of Example 2 had a very high Faraday efficiency. This is thought to be due to the fact that the electrolysis process was performed in an Ar atmosphere and the electrolytic bath was changed between the electrode preparation process and the electrolysis process, resulting in a low carbonate ion concentration in the second molten salt.
表5および表6から理解されるように、特に、SUS304を作用極として用いた場合、得られた析出物から高いファラデー効率で炭化水素を得ることができた。これは、電極作製工程で析出したCaC2量が多いことを示している。CaC2量が多いことは、また、炭素の析出量も多いと理解できる。 As can be seen from Tables 5 and 6, particularly when SUS304 was used as the working electrode, hydrocarbons could be obtained from the resulting deposit with high Faraday efficiency. This indicates that a large amount of CaC2 was deposited in the electrode preparation process. It can be understood that a large amount of CaC2 also means a large amount of carbon was deposited.
表7から理解されるように、NaCl-KCl―CaCl2溶融塩を用いることにより、得られた析出物からより高いファラデー効率で炭化水素を得ることができた。第2溶融塩が炭酸イオン(CO3 2-)を実質的に含まず、電解工程がAr雰囲気で行われることが、ファラデー効率の点で望ましい。添加物として溶融塩にCaC2を加えることが、ファラデー効率の点で望ましい。これは、作用極の上に生成したCaC2が、溶融塩中に溶解することが抑制されたためであると考えられる。 As can be seen from Table 7, by using a NaCl-KCl-CaCl 2 molten salt, it was possible to obtain hydrocarbons from the obtained precipitate with higher faradaic efficiency. It is desirable in terms of faradaic efficiency that the second molten salt is substantially free of carbonate ions (CO 3 2- ) and that the electrolysis step is carried out in an Ar atmosphere. It is desirable in terms of faradaic efficiency to add CaC 2 to the molten salt as an additive. This is believed to be because the CaC 2 generated on the working electrode was prevented from dissolving in the molten salt.
本開示の製造方法は、比較的低温下で速やかに反応が進行し、効率よく金属カーバイドを得ることができるため、種々の分野において有用である。 The manufacturing method disclosed herein is useful in a variety of fields because the reaction proceeds quickly at relatively low temperatures and metal carbide can be obtained efficiently.
Claims (14)
前記第1溶融塩に電圧を印加して、第1電極に炭素を含む析出物を析出させて、第2電極を得ること、を含む、電極作製工程と、
前記第2電極を用いて、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属イオンを含む第2溶融塩に、電圧を印加し、前記第2金属のカーバイドを含むカーバイド組成物を得ること、を含む、電解工程と、を備える、金属カーバイドの製造方法。 preparing a first molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and carbonate ions;
an electrode preparation step including applying a voltage to the first molten salt to cause a carbon-containing precipitate to precipitate on a first electrode, thereby obtaining a second electrode;
applying a voltage to a second molten salt containing at least one type of second metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions, using the second electrode, to obtain a carbide composition containing a carbide of the second metal.
前記第1溶融塩に電圧を印加して、第1電極に、炭素を含む析出物を析出させて、第2電極を得ること、を含む、電極作製工程と、
前記第2電極を用いて、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンよりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属イオンを含む第2溶融塩に、電圧を印加し、前記第2金属のカーバイドを含むカーバイド組成物を得ること、を含む、電解工程と、
前記第2金属のカーバイドを加水分解して、炭化水素を含むガスを得ること、を含む、ガス発生工程と、を備える、炭化水素の製造方法。 preparing a first molten salt containing at least one first metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions and carbonate ions derived from carbon dioxide; and
an electrode preparation step including applying a voltage to the first molten salt to cause a precipitate containing carbon to be deposited on a first electrode to obtain a second electrode;
an electrolysis step including applying a voltage to a second molten salt containing at least one second metal ion selected from the group consisting of alkali metal ions and alkaline earth metal ions, using the second electrode, to obtain a carbide composition containing a carbide of the second metal;
and a gas generating step of hydrolyzing the carbide of the second metal to obtain a gas containing a hydrocarbon.
前記基体の少なくとも一部を覆う、アルカリ金属およびアルカリ土類金属よりなる群から選択される少なくとも1種の第2金属のカーバイドを含む金属カーバイド層と、
前記金属カーバイド層の少なくとも一部を覆い、かつ、炭素を含み、前記第2金属カーバイドを実質的に含まないカーボン層と、を備える、炭素含有部材。 A substrate;
a metal carbide layer covering at least a portion of the substrate, the metal carbide layer including at least one second metal carbide selected from the group consisting of alkali metals and alkaline earth metals;
a carbon layer covering at least a portion of the metal carbide layer, the carbon layer comprising carbon and being substantially free of the second metal carbide.
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