JP7726469B2 - Aldehyde production apparatus and aldehyde production method - Google Patents
Aldehyde production apparatus and aldehyde production methodInfo
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Description
本発明は、アルデヒドの製造装置およびアルデヒドの製造方法に関する。 The present invention relates to an aldehyde production apparatus and an aldehyde production method.
アルコールを酸化してアルデヒドを合成する反応は、工業原料の中間体などの有機化合物の合成に広く用いられている。従来、このような反応においては、アルコールが酸化されてアルデヒドが生成したのち、アルデヒドが更に酸化されてカルボン酸になってしまうなど、アルデヒドを高選択的に製造することは困難であった。 The reaction of oxidizing alcohols to synthesize aldehydes is widely used in the synthesis of organic compounds, such as intermediates for industrial raw materials. However, in conventional reactions like this, it has been difficult to produce aldehydes with high selectivity, as the alcohol is oxidized to produce an aldehyde, which is then further oxidized to form a carboxylic acid.
アルコールからアルデヒドを製造する手段の一つとして、アルコールの電解酸化が知られている。例えば、特許文献1には、導電性の基体表面に、疎水性のフッ素化合物と白金とからなる複合メッキ層を有する電極を備える電解槽にてベンジルアルコールを電解酸化して、ベンズアルデヒド及び安息香酸を得たことが記載されている。 One known method for producing aldehydes from alcohols is the electrolytic oxidation of alcohols. For example, Patent Document 1 describes the production of benzaldehyde and benzoic acid by electrolytic oxidation of benzyl alcohol in an electrolytic cell equipped with electrodes having a composite plating layer made of a hydrophobic fluorine compound and platinum on the surface of a conductive substrate.
特許文献2には、第1級アルコールをN-オキシル化合物とともに電解酸化して、アルデヒドを合成する方法が記載されている。 Patent Document 2 describes a method for synthesizing aldehydes by electrolytically oxidizing a primary alcohol together with an N-oxyl compound.
特許文献1に記載の電解槽では、アルデヒドの選択的な合成に至っていない。特許文献2に記載の方法では、N-オキシル化合物を用いる必要があるため、製造コストが高くなる。 The electrolytic cell described in Patent Document 1 does not allow for the selective synthesis of aldehydes. The method described in Patent Document 2 requires the use of an N-oxyl compound, which increases production costs.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、アルデヒドを高選択的に製造する技術を提供することにある。 The present invention was made in light of these circumstances, and one of its objectives is to provide a technology for highly selectively producing aldehydes.
本発明のある態様は、アルデヒドの製造装置である。この製造装置は、固体高分子形電解ユニットと、固体高分子形電解ユニットに基質を供給する供給部と、を備える。固体高分子形電解ユニットは、基質を電解酸化してアルデヒドを製造する。 One aspect of the present invention is an apparatus for producing aldehyde. This production apparatus includes a solid polymer electrolysis unit and a supply section that supplies a substrate to the solid polymer electrolysis unit. The solid polymer electrolysis unit electrolytically oxidizes the substrate to produce aldehyde.
本発明の他の態様は、アルデヒドの製造方法である。この製造方法は、固体高分子形電解ユニットを用いて基質を電解酸化し、アルデヒドを製造することを含む。 Another aspect of the present invention is a method for producing an aldehyde. This method includes electrolytically oxidizing a substrate using a solid polymer electrolysis unit to produce an aldehyde.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 In addition, any combination of the above components, or the mutual substitution of the components or expressions of the present invention between methods, devices, programs, temporary or non-temporary storage media on which programs are recorded, systems, etc., are also valid aspects of the present invention.
本発明によれば、アルデヒドを高選択的に製造することができる。 According to the present invention, aldehydes can be produced with high selectivity.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第1」、「第2」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。また、数値範囲を示す「X~Y」は、特に言及がない限り「X以上Y以下」を意味する。 The present invention will be described below with reference to the drawings, based on preferred embodiments. The embodiments are illustrative and do not limit the invention, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention. Identical or equivalent components, parts, and processes shown in each drawing are designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted where appropriate. The scale and shape of each part shown in each drawing are set for convenience to facilitate explanation and should not be interpreted as limiting unless otherwise specified. Furthermore, when terms such as "first" and "second" are used in this specification or claims, unless otherwise specified, these terms do not indicate any order or importance, but are used to distinguish one configuration from another. Furthermore, some components that are not important for explaining the embodiments are omitted in each drawing. Furthermore, "X to Y" indicating a numerical range means "greater than or equal to X and less than or equal to Y" unless otherwise specified.
図1は、実施の形態に係るアルデヒドの製造装置を示す模式図である。なお、図1では、固体高分子形電解ユニットの構造を簡略化して図示している。アルデヒドの製造装置10(アルデヒド製造装置)は、基質を電解酸化してアルデヒドを製造する装置であり、固体高分子形電解ユニット100、電力制御部20、水貯蔵槽30、基質貯蔵槽40および制御部60を主な構成として備える。以下では適宜、アルデヒドの製造装置10を、単に「製造装置10」と記す。 Figure 1 is a schematic diagram showing an aldehyde production apparatus according to an embodiment. Note that Figure 1 illustrates a simplified structure of a solid polymer electrolysis unit. The aldehyde production apparatus 10 (aldehyde production apparatus) is an apparatus that produces aldehyde by electrolytically oxidizing a substrate, and is primarily composed of a solid polymer electrolysis unit 100, a power control unit 20, a water storage tank 30, a substrate storage tank 40, and a control unit 60. Hereinafter, the aldehyde production apparatus 10 will be referred to simply as "production apparatus 10" where appropriate.
電力制御部20は、例えば、電力源の出力電圧を所定の電圧に変換するDC/DCコンバータである。電力制御部20の正極出力端子は、固体高分子形電解ユニット100のアノード(陽極)130に接続される。電力制御部20の負極出力端子は、固体高分子形電解ユニット100のカソード(陰極)120に接続される。これにより、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。 The power control unit 20 is, for example, a DC/DC converter that converts the output voltage of the power source to a predetermined voltage. The positive output terminal of the power control unit 20 is connected to the anode 130 of the solid polymer electrolysis unit 100. The negative output terminal of the power control unit 20 is connected to the cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100. As a result, a predetermined voltage is applied between the anode 130 and cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100.
電力制御部20には、アノードおよびカソードの電位検知の目的で参照極が設けられてもよい。この場合、参照極入力端子は、固体高分子電解質膜110に設けられる参照電極112に接続される。参照電極112は、固体高分子電解質膜110におけるカソード120およびアノード130から離間した領域に、固体高分子電解質膜110に接するように設けられる。参照電極112は、カソード120およびアノード130から電気的に隔離されている。 The power control unit 20 may be provided with a reference electrode for the purpose of detecting the potentials of the anode and cathode. In this case, the reference electrode input terminal is connected to a reference electrode 112 provided on the solid polymer electrolyte membrane 110. The reference electrode 112 is provided in an area of the solid polymer electrolyte membrane 110 separated from the cathode 120 and anode 130 so as to be in contact with the solid polymer electrolyte membrane 110. The reference electrode 112 is electrically isolated from the cathode 120 and anode 130.
参照電極112は、参照電極電位に保持される。本願における参照電極電位は、特に言及がない限り、可逆水素電極(RHE)に対する電位を意味するものとする(参照電極電位=0V)。なお、参照電極電位は、Ag/AgCl電極に対する電位であってもよい(参照電極電位=0.199V VS RHE)。また、参照電極112は、固体高分子電解質膜110におけるアノード130側の表面に設置されることが好ましい。 The reference electrode 112 is maintained at a reference electrode potential. Unless otherwise specified, the reference electrode potential in this application refers to the potential relative to a reversible hydrogen electrode (RHE) (reference electrode potential = 0 V). The reference electrode potential may also be the potential relative to an Ag/AgCl electrode (reference electrode potential = 0.199 V vs. RHE). Furthermore, the reference electrode 112 is preferably placed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane 110 facing the anode 130.
カソード120とアノード130との間を流れる電流は、電流検出部113によって検出される。電流検出部113は、例えば従来公知の電流計で構成される。電流検出部113で検出された電流値は、制御部60に入力され、制御部60による電力制御部20の制御に用いられる。参照電極112とアノード130との間の電位差は、電圧検出部114によって検出される。電圧検出部114は、例えば従来公知の電圧計で構成される。電圧検出部114で検出された電位差の値は制御部60に入力され、制御部60による電力制御部20の制御に用いられる。なお、必要に応じて、電圧検出部114は参照電極112とカソード120との間の電位差を検出してもよい。 The current flowing between the cathode 120 and the anode 130 is detected by the current detection unit 113. The current detection unit 113 is configured, for example, by a conventionally known ammeter. The current value detected by the current detection unit 113 is input to the control unit 60 and used by the control unit 60 to control the power control unit 20. The potential difference between the reference electrode 112 and the anode 130 is detected by the voltage detection unit 114. The voltage detection unit 114 is configured, for example, by a conventionally known voltmeter. The value of the potential difference detected by the voltage detection unit 114 is input to the control unit 60 and used by the control unit 60 to control the power control unit 20. If necessary, the voltage detection unit 114 may also detect the potential difference between the reference electrode 112 and the cathode 120.
制御部60は、固体高分子形電解ユニット100の電位を制御する。つまり、制御部60は、カソード120および/またはアノード130の電位を所定の電位に調整する。制御部60は、ハードウェア構成としてはコンピュータのCPUやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。このことは、当業者には当然に理解されるところである。制御部60は、カソード120および/またはアノード130の電位が所定の電位となるように、電力制御部20の正極出力端子および負極出力端子の出力を制御する。 The control unit 60 controls the potential of the solid polymer electrolysis unit 100. That is, the control unit 60 adjusts the potential of the cathode 120 and/or anode 130 to a predetermined potential. The control unit 60 is realized as a hardware configuration by elements and circuits such as a computer CPU and memory, and as a software configuration by a computer program, etc. This is naturally understood by those skilled in the art. The control unit 60 controls the output of the positive output terminal and negative output terminal of the power control unit 20 so that the potential of the cathode 120 and/or anode 130 becomes a predetermined potential.
水貯蔵槽30には、例えばイオン交換水、純水(蒸留水、膜浸透水など)、あるいはこれらに硫酸、硝酸、塩酸等の酸、または水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ金属塩を加えた水溶液等(以下では適宜、「カソード液」という)が貯蔵される。水貯蔵槽30に貯蔵されたカソード液は、第1供給装置32によって固体高分子形電解ユニット100のカソード120に供給される。第1供給装置32としては、例えばギアポンプあるいはシリンダーポンプ等の各種ポンプ、または自然流下式装置等を用いることができる。 The water storage tank 30 stores, for example, ion-exchanged water, pure water (distilled water, membrane permeation water, etc.), or an aqueous solution of these with an acid such as sulfuric acid, nitric acid, or hydrochloric acid, or an alkali metal salt such as potassium hydroxide or sodium hydroxide (hereinafter referred to as "cathode solution" as appropriate). The cathode solution stored in the water storage tank 30 is supplied to the cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100 by a first supply device 32. The first supply device 32 can be, for example, a gear pump, a cylinder pump, or any other pump, or a gravity flow device.
水貯蔵槽30とカソード120との間には、循環経路34が設けられる。循環経路34は、カソード液の流れにおけるカソード120の上流側で水貯蔵槽30とカソード120とをつなぐ往路部34aと、カソード液の流れにおけるカソード120の下流側でカソード120と水貯蔵槽30とをつなぐ復路部34bとを含む。往路部34aの途中には、第1供給装置32が設けられる。 A circulation path 34 is provided between the water storage tank 30 and the cathode 120. The circulation path 34 includes an outward path section 34a that connects the water storage tank 30 and the cathode 120 upstream of the cathode 120 in the flow of the cathode fluid, and a return path section 34b that connects the cathode 120 and the water storage tank 30 downstream of the cathode 120 in the flow of the cathode fluid. A first supply device 32 is provided midway along the outward path section 34a.
カソード液は、往路部34aを介してカソード120に供給される。カソード120において未反応のカソード液と、カソード120での電極反応で生成される水素ガスと、その他の副生ガスとは、復路部34bを経て水貯蔵槽30に戻される。復路部34bの途中には気液分離手段(図示せず)が設けられ、気液分離手段によって水素ガスや副生ガスは分離される。なお、復路部34bは省略することもできる。 The cathode fluid is supplied to the cathode 120 via the outward path 34a. Unreacted cathode fluid at the cathode 120, hydrogen gas produced by the electrode reaction at the cathode 120, and other by-product gases are returned to the water storage tank 30 via the return path 34b. A gas-liquid separator (not shown) is provided midway along the return path 34b, and the hydrogen gas and by-product gases are separated by the gas-liquid separator. The return path 34b can also be omitted.
基質貯蔵槽40には、基質が貯蔵される。本実施の形態で用いられる基質としては、アルコール、特に第1級アルコール、ベンジルアルコール、ベンジルアルコールの誘導体が挙げられる。第1級アルコールの具体例としては、エタノール、1-プロパノール、1-ヘキサノール、3-メチル-2-ブテン-1-オール等が例示される。これらの基質によって得られるアルデヒドは、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ヘキサナール、3-メチル-2-ブテナールである。ベンジルアルコールによって得られるアルデヒドは、ベンズアルデヒドである。ベンジルアルコールの誘導体とは、ベンジルアルコールのベンゼン環上の水素が官能基または脂肪族基によって置換された化合物を指す。ベンジルアルコールの誘導体の具体例としては、2-メチルベンジルアルコール、4-メチルベンジルアルコール、4-(ジメチルアミノ)ベンジルアルコール、シンナミルアルコール等が例示される。これらの基質によって得られるアルデヒドは、2-メチルベンズアルデヒド、4-メチルベンズアルデヒド、4-(ジメチルアミノ)ベンズアルデヒド、シンナムアルデヒドである。 The substrate is stored in the substrate storage tank 40. Substrates used in this embodiment include alcohols, particularly primary alcohols, benzyl alcohol, and benzyl alcohol derivatives. Specific examples of primary alcohols include ethanol, 1-propanol, 1-hexanol, and 3-methyl-2-buten-1-ol. Aldehydes obtained from these substrates include acetaldehyde, propionaldehyde, hexanal, and 3-methyl-2-butenal. The aldehyde obtained from benzyl alcohol is benzaldehyde. A benzyl alcohol derivative refers to a compound in which the hydrogen atom on the benzene ring of benzyl alcohol is replaced with a functional group or an aliphatic group. Specific examples of benzyl alcohol derivatives include 2-methylbenzyl alcohol, 4-methylbenzyl alcohol, 4-(dimethylamino)benzyl alcohol, and cinnamyl alcohol. The aldehydes obtained using these substrates are 2-methylbenzaldehyde, 4-methylbenzaldehyde, 4-(dimethylamino)benzaldehyde, and cinnamaldehyde.
基質貯蔵槽40に貯蔵された基質は、第2供給装置42によって固体高分子形電解ユニット100のアノード130に供給される。基質貯蔵槽40と第2供給装置42とは、固体高分子形電解ユニット100に基質を供給する供給部44を構成する。 The substrate stored in the substrate storage tank 40 is supplied to the anode 130 of the solid polymer electrolysis unit 100 by the second supply device 42. The substrate storage tank 40 and the second supply device 42 constitute a supply section 44 that supplies the substrate to the solid polymer electrolysis unit 100.
基質貯蔵槽40とアノード130との間には、循環経路46が設けられる。循環経路46は、基質の流れにおけるアノード130の上流側で基質貯蔵槽40とアノード130とをつなぐ往路部46aと、基質の流れにおけるアノード130の下流側でアノード130と基質貯蔵槽40とをつなぐ復路部46bとを含む。往路部46aの途中には、第2供給装置42が設けられる。 A circulation path 46 is provided between the substrate storage tank 40 and the anode 130. The circulation path 46 includes an outward path section 46a that connects the substrate storage tank 40 and the anode 130 upstream of the anode 130 in the substrate flow, and a return path section 46b that connects the anode 130 and the substrate storage tank 40 downstream of the anode 130 in the substrate flow. A second supply device 42 is provided midway along the outward path section 46a.
基質は、往路部46aを介してアノード130に供給される。アノード130において基質の電解酸化により生成されたアルデヒドと、未反応の基質とは、復路部46bを経て基質貯蔵槽40に戻される。なお、復路部46bは省略することもできる。 The substrate is supplied to the anode 130 via the outgoing path 46a. The aldehyde produced by electrolytic oxidation of the substrate at the anode 130 and the unreacted substrate are returned to the substrate storage tank 40 via the return path 46b. Note that the return path 46b can be omitted.
図2は、固体高分子形電解ユニット100の概略構成を示す断面図である。本実施の形態の固体高分子形電解ユニット100は、フィルム形状の電解質膜の一方の側にアノード室を、他方の側にカソード室をそれぞれ有する固体高分子形電解槽である。より具体的には、固体高分子形電解ユニット100は、膜電極接合体102と、膜電極接合体102を挟む一対のセパレータ150aおよび150bとを備える。膜電極接合体102は、固体高分子電解質膜110と、カソード120と、アノード130とを有する。 Figure 2 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of a solid polymer electrolysis unit 100. The solid polymer electrolysis unit 100 of this embodiment is a solid polymer electrolytic cell having an anode chamber on one side of a film-shaped electrolyte membrane and a cathode chamber on the other side. More specifically, the solid polymer electrolysis unit 100 includes a membrane electrode assembly 102 and a pair of separators 150a and 150b that sandwich the membrane electrode assembly 102. The membrane electrode assembly 102 includes a solid polymer electrolyte membrane 110, a cathode 120, and an anode 130.
固体高分子電解質膜110は、アノード130およびカソード120の間に設けられる。固体高分子電解質膜110の種類としては、プロトン交換型電解質膜(PEM)とアニオン交換型電解質膜(AEM)とがある。固体高分子電解質膜110は、プロトンまたはアニオンを選択的に伝導する一方で、カソード120とアノード130との間で物質が混合したり拡散したりすることを抑制する。また、固体高分子電解質膜110は、カソードの水を透過させることができる。 The solid polymer electrolyte membrane 110 is disposed between the anode 130 and the cathode 120. Types of solid polymer electrolyte membranes 110 include proton exchange membranes (PEMs) and anion exchange membranes (AEMs). The solid polymer electrolyte membrane 110 selectively conducts protons or anions while suppressing the mixing or diffusion of substances between the cathode 120 and the anode 130. The solid polymer electrolyte membrane 110 also allows water from the cathode to pass through.
固体高分子電解質膜110の厚さは、例えば5~300μmである。固体高分子電解質膜110の厚さを5μm以上とすることで、固体高分子電解質膜110のバリア性を確保して、基質等のクロスオーバーの発生をより確実に抑制することができる。また、固体高分子電解質膜110の厚さを300μm以下とすることで、イオン移動抵抗が過大になることを抑制することができる。 The thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 is, for example, 5 to 300 μm. By making the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 5 μm or more, the barrier properties of the solid polymer electrolyte membrane 110 can be ensured and the occurrence of crossover of substrates and the like can be more reliably suppressed. Furthermore, by making the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 110 300 μm or less, excessive ion migration resistance can be suppressed.
プロトン交換型電解質膜(PEM)は、好ましくはパーフルオロスルホン酸を含む。例えば、固体高分子電解質膜110はパーフルオロスルホン酸のポリマーで構成される。当該ポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)やフレミオン(登録商標)などが例示される。アニオン交換型電解質膜(AEM)は、好ましくは第4級アンモニウム塩等の強塩基性基を有するポリマーを含む。アニオン交換型電解質膜としては、fumapem(商標)FAA-3、ネオセプタ(登録商標)AHAなどが例示される。固体高分子電解質膜110は、好ましくはAEMである。これによって、より高い電流効率でアルデヒドを生成することができる。固体高分子電解質膜110には、多孔性のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等の補強材が混合されてもよい。補強材を導入することで、固体高分子電解質膜110の寸法安定性を高めることができる。これにより、固体高分子電解質膜110の耐久性を向上させることができる。また、基質等のクロスオーバーを抑制することができる。 The proton exchange electrolyte membrane (PEM) preferably contains perfluorosulfonic acid. For example, the solid polymer electrolyte membrane 110 is composed of a perfluorosulfonic acid polymer. Examples of such polymers include Nafion® and Flemion®. The anion exchange electrolyte membrane (AEM) preferably contains a polymer having a strong basic group such as a quaternary ammonium salt. Examples of anion exchange electrolyte membranes include fumapem® FAA-3 and Neosepta® AHA. The solid polymer electrolyte membrane 110 is preferably an AEM. This enables aldehyde to be produced with higher current efficiency. The solid polymer electrolyte membrane 110 may be mixed with a reinforcing material such as porous PTFE (polytetrafluoroethylene). The introduction of a reinforcing material can improve the dimensional stability of the solid polymer electrolyte membrane 110, thereby improving the durability of the solid polymer electrolyte membrane 110. It also suppresses crossover of substrates, etc.
カソード120は、水を還元して水素を生成する電極であり、固体高分子電解質膜110の一方の側に配置される。本実施の形態では、カソード120は固体高分子電解質膜110の一方の主表面に接するように設けられている。カソード120は、カソード触媒層122および拡散層124が積層された構造を有する。カソード触媒層122は、拡散層124よりも固体高分子電解質膜110側に配置される。 The cathode 120 is an electrode that reduces water to produce hydrogen, and is arranged on one side of the solid polymer electrolyte membrane 110. In this embodiment, the cathode 120 is arranged so as to be in contact with one main surface of the solid polymer electrolyte membrane 110. The cathode 120 has a structure in which a cathode catalyst layer 122 and a diffusion layer 124 are laminated. The cathode catalyst layer 122 is arranged closer to the solid polymer electrolyte membrane 110 than the diffusion layer 124.
カソード触媒層122は、固体高分子電解質膜110の一方の主表面に接している。カソード触媒層122は、水を還元するための触媒金属を含む。例えば、カソード触媒層122は、Pt、Au、Ag、Pd、Rh、Ru、FeおよびNiからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む。好ましくは、カソード触媒層122はPtを含む。触媒金属は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持される。触媒金属を触媒担体に担持させることで、カソード触媒層122の表面積を拡大することができる。また、触媒金属の凝集を抑制することができる。触媒担体に用いられる電子伝導性材料の電子伝導度は、好ましくは1.0×10-2S/cm以上である。電子伝導性材料の電子伝導度を1.0×10-2S/cm以上とすることで、カソード触媒層122に対してより確実に電子伝導性を付与することができる。 The cathode catalyst layer 122 is in contact with one main surface of the solid polymer electrolyte membrane 110. The cathode catalyst layer 122 contains a catalytic metal for reducing water. For example, the cathode catalyst layer 122 contains at least one catalytic metal selected from the group consisting of Pt, Au, Ag, Pd, Rh, Ru, Fe, and Ni. Preferably, the cathode catalyst layer 122 contains Pt. The catalytic metal is supported by a catalyst support made of an electron-conductive material. Supporting the catalytic metal on the catalyst support increases the surface area of the cathode catalyst layer 122. Furthermore, aggregation of the catalytic metal can be suppressed. The electron conductivity of the electron-conductive material used for the catalyst support is preferably 1.0×10 −2 S/cm or higher. By ensuring that the electron conductivity of the electron-conductive material is 1.0×10 −2 S/cm or higher, electron conductivity can be more reliably imparted to the cathode catalyst layer 122.
触媒担体としては、例えば多孔性カーボン、多孔性金属、多孔性金属酸化物のいずれかを主成分として含有する電子伝導性材料を挙げることができる。多孔性カーボンとしては、例えばケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、ファーネスブラック、バルカン(登録商標)などのカーボンブラックが挙げられる。多孔性金属としては、例えばPt黒、Pd黒、フラクタル状に析出させたPt金属などが挙げられる。多孔性金属酸化物としては、例えばTi、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wの酸化物が挙げられる。また、触媒担体には、Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどの金属の窒化物、炭化物、酸窒化物、炭窒化物、部分酸化した炭窒化物といった、多孔性の金属化合物も用いることができる。 Examples of catalyst supports include electron-conductive materials containing porous carbon, porous metal, or porous metal oxide as a primary component. Examples of porous carbon include carbon black, such as Ketjen Black (registered trademark), acetylene black, furnace black, and Vulcan (registered trademark). Examples of porous metals include Pt black, Pd black, and fractal-like precipitated Pt metal. Examples of porous metal oxides include oxides of Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. Catalyst supports can also be made of porous metal compounds, such as nitrides, carbides, oxynitrides, carbonitrides, and partially oxidized carbonitrides of metals such as Ti, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W.
好ましくは、触媒金属を担持した状態の触媒担体は、アイオノマーで被覆される。これにより、カソード120のイオン伝導性を向上させることができる。固体高分子電解質膜110がPEMの場合は、プロトン伝導性のアイオノマーを用いる。固体高分子電解質膜110がAEMの場合は、アニオン伝導性のアイオノマーを用いる。プロトン伝導性のアイオノマーとしては、例えばナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。アニオン伝導性のアイオノマーとしては、例えばfumion(商標)FAA-3などの、強塩基性基(第4級アンモニウム基、イミダゾリウム基など)を有するポリマー等を挙げることができる。カソード触媒層122の厚さは、例えば1~100μmである。カソード触媒層122の厚さを上述の範囲とすることで、プロトンの移動抵抗の増大を抑制できる。 Preferably, the catalyst support carrying the catalytic metal is coated with an ionomer. This improves the ionic conductivity of the cathode 120. When the solid polymer electrolyte membrane 110 is a PEM, a proton-conductive ionomer is used. When the solid polymer electrolyte membrane 110 is an AEM, an anion-conductive ionomer is used. Examples of proton-conductive ionomers include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark). Examples of anion-conductive ionomers include polymers with strong basic groups (quaternary ammonium groups, imidazolium groups, etc.), such as Fumion (trademark) FAA-3. The thickness of the cathode catalyst layer 122 is, for example, 1 to 100 μm. By keeping the thickness of the cathode catalyst layer 122 within the above range, an increase in proton transfer resistance can be suppressed.
カソード触媒層122は、例えば触媒成分粉末と、触媒担体と、水等の溶媒とを混合して触媒インクを調製し、得られた触媒インクと、カーボンナノチューブ等の導電性フィラーと、バインダーとを混合して触媒ペーストを調製し、この触媒ペーストをシート状に成形することで作製することができる。なお、触媒インクを拡散層124に塗布し、乾燥後にホットプレスすることで作製することもできる。また、カソード触媒層122は、固体高分子電解質膜110上に形成してもよい。 The cathode catalyst layer 122 can be produced, for example, by mixing catalyst component powder, a catalyst carrier, and a solvent such as water to prepare a catalyst ink, mixing the resulting catalyst ink with a conductive filler such as carbon nanotubes and a binder to prepare a catalyst paste, and then forming this catalyst paste into a sheet. Alternatively, the cathode catalyst layer 122 can be produced by applying the catalyst ink to the diffusion layer 124, drying it, and then hot pressing it. The cathode catalyst layer 122 may also be formed on the solid polymer electrolyte membrane 110.
拡散層124は、セパレータ150aから供給されるカソード液をカソード触媒層122に均一に拡散させる機能を担う。拡散層124を構成する材料としては、例えばカーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。カーボンクロスは、数μmの径の細いカーボン繊維を数百本の束とし、この束を織布としたものである。また、カーボンペーパーは、カーボン原料繊維を製紙法にて薄膜の前駆体とし、これを焼結したものである。拡散層124の厚さは、好ましくは50~1000μmである。 The diffusion layer 124 functions to uniformly diffuse the cathode fluid supplied from the separator 150a into the cathode catalyst layer 122. Examples of materials that can be used to form the diffusion layer 124 include woven carbon fabric (carbon cloth), nonwoven carbon fabric, and carbon paper. Carbon cloth is made by bundling hundreds of thin carbon fibers with diameters of a few microns into a woven fabric. Carbon paper is made by using a papermaking method to turn raw carbon fiber into a thin film precursor, which is then sintered. The thickness of the diffusion layer 124 is preferably 50 to 1000 μm.
セパレータ150aは、固体高分子電解質膜110とは反対側のカソード120の主表面に積層される。セパレータ150aは、例えばカーボン樹脂や、Cr-Ni-Fe系、Cr-Ni-Mo-Fe系、Cr-Mo-Nb-Ni系、Cr-Mo-Fe-W-Ni系あるいはTi系などの耐食性合金で形成することができる。セパレータ150aの拡散層124側の面には、単数または複数の溝状の流路152aが設けられる。流路152aには、往路部34aおよび復路部34bが接続される。セパレータ150aと、固体高分子電解質膜110と、これらの間に配置される枠状のスペーサ126とでカソード室が画成され、カソード室にカソード触媒層122と拡散層124とが収容される。 The separator 150a is laminated on the main surface of the cathode 120 opposite the solid polymer electrolyte membrane 110. The separator 150a can be formed, for example, from carbon resin or a corrosion-resistant alloy such as a Cr-Ni-Fe, Cr-Ni-Mo-Fe, Cr-Mo-Nb-Ni, Cr-Mo-Fe-W-Ni, or Ti alloy. One or more groove-shaped flow paths 152a are provided on the surface of the separator 150a facing the diffusion layer 124. The forward path section 34a and the return path section 34b are connected to the flow path 152a. The separator 150a, the solid polymer electrolyte membrane 110, and the frame-shaped spacer 126 disposed therebetween define a cathode chamber, which houses the cathode catalyst layer 122 and the diffusion layer 124.
カソード室の流路152aには、往路部34aを介してカソード液が流入する。カソード液は、流路152aから拡散層124に浸み込む。そして、カソード触媒層122にカソード液が流入する。未反応のカソード液は、復路部34bを介してカソード室から外部に流出し、水貯蔵槽30に戻される。流路152aの形態は、特に限定されないが、例えば直線状流路、サーペンタイン流路などを採用し得る。あるいは、セパレータ150aが多孔体層を有し、多孔体層の空隙によって流路152aが構成されてもよい。 Cathode fluid flows into the flow path 152a in the cathode chamber via the outward path section 34a. The cathode fluid permeates the diffusion layer 124 from the flow path 152a. The cathode fluid then flows into the cathode catalyst layer 122. Unreacted cathode fluid flows out of the cathode chamber via the return path section 34b and is returned to the water storage tank 30. The shape of the flow path 152a is not particularly limited, but may be, for example, a linear flow path or a serpentine flow path. Alternatively, the separator 150a may have a porous layer, and the flow path 152a may be formed by the voids in the porous layer.
アノード130は、基質を電解酸化してアルデヒドを生成するための電極であり、固体高分子電解質膜110の他方の側に、すなわちカソード120が配置される側とは反対側に配置される。本実施の形態では、アノード130は固体高分子電解質膜110の他方の主表面に接するように設けられている。アノード130は、アノード触媒層132および拡散層134が積層された構造を有する。アノード触媒層132は、拡散層134よりも固体高分子電解質膜110側に配置される。 The anode 130 is an electrode for electrolytically oxidizing a substrate to produce aldehyde, and is arranged on the other side of the solid polymer electrolyte membrane 110, i.e., the side opposite the side on which the cathode 120 is arranged. In this embodiment, the anode 130 is arranged so as to contact the other main surface of the solid polymer electrolyte membrane 110. The anode 130 has a structure in which an anode catalyst layer 132 and a diffusion layer 134 are laminated. The anode catalyst layer 132 is arranged closer to the solid polymer electrolyte membrane 110 than the diffusion layer 134.
アノード触媒層132は、固体高分子電解質膜110の他方の主表面に接している。アノード触媒層132は、基質を酸化するための触媒金属を含む。好ましくは、アノード触媒層132は、Ru、Rh、Pd、Ir、PtおよびAuからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含む。より好ましくは、アノード触媒層132は、Auを含む。アノード触媒層132がこれらの触媒金属を含むことで、高選択的にアルデヒドを生成することができる。ここで、「高選択的」とは、基質の電解酸化によって、カルボン酸よりもアルデヒドのほうが多く生成されることをいう。選択率は、アルデヒドが「アルデヒド+カルボン酸」の総量に対して50%超、好ましくは70%以上、より好ましくは90%以上、最も好ましくは99%以上である。 The anode catalyst layer 132 is in contact with the other main surface of the solid polymer electrolyte membrane 110. The anode catalyst layer 132 contains a catalytic metal for oxidizing the substrate. Preferably, the anode catalyst layer 132 contains at least one catalytic metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, and Au. More preferably, the anode catalyst layer 132 contains Au. When the anode catalyst layer 132 contains one of these catalytic metals, aldehyde can be produced highly selectively. Here, "highly selective" means that more aldehyde than carboxylic acid is produced by the electrolytic oxidation of the substrate. The selectivity of aldehyde is greater than 50%, preferably 70% or more, more preferably 90% or more, and most preferably 99% or more, of the total amount of "aldehyde + carboxylic acid."
触媒金属は、電子伝導性材料で構成される触媒担体によって担持されてもよい。また、アノード触媒層132がAuを含む場合において、好ましくは、Auを含む金属粒子が触媒担体上に担持されている。これによって、より高い電流効率でアルデヒドを生成することができる。電流効率をさらに高くするという観点から、金属粒子の平均粒子径は、好ましくは0.2nm以上50nm以下である。 The catalytic metal may be supported by a catalyst support made of an electron-conductive material. Furthermore, when the anode catalyst layer 132 contains Au, metal particles containing Au are preferably supported on the catalyst support. This allows aldehyde to be produced with higher current efficiency. From the perspective of further increasing current efficiency, the average particle diameter of the metal particles is preferably 0.2 nm or more and 50 nm or less.
触媒担体としては、カソード触媒層122の触媒担体について説明したのと同様に、例えば多孔性カーボン、多孔性金属、多孔性金属酸化物を挙げることができる。電流効率をさらに高くするという観点から、好ましくは、触媒担体は多孔性カーボンであり、より好ましくは、アセチレンブラックである。好ましくは、触媒金属は、アイオノマーで被覆される。これにより、アノード130のイオン伝導性を向上させることができる。固体高分子電解質膜110がPEMの場合は、プロトン伝導性のアイオノマーを用いる。固体高分子電解質膜110がAEMの場合は、アニオン伝導性のアイオノマーを用いる。プロトン伝導性のアイオノマーとしては、例えばナフィオン(登録商標)、フレミオン(登録商標)などのパーフルオロスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。アニオン伝導性のアイオノマーとしては、例えばfumion(商標)FAA-3などの、強塩基性基(第4級アンモニウム基、イミダゾリウム基など)を有するポリマー等を挙げることができる。アノード触媒層132の厚さは、例えば1~100μmである。 As with the catalyst support of the cathode catalyst layer 122, examples of the catalyst support include porous carbon, porous metal, and porous metal oxide. From the perspective of further increasing current efficiency, the catalyst support is preferably porous carbon, and more preferably acetylene black. The catalyst metal is preferably coated with an ionomer, thereby improving the ionic conductivity of the anode 130. When the solid polymer electrolyte membrane 110 is a PEM, a proton-conductive ionomer is used. When the solid polymer electrolyte membrane 110 is an AEM, an anion-conductive ionomer is used. Examples of proton-conductive ionomers include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark) and Flemion (registered trademark). Examples of anion-conductive ionomers include polymers with strongly basic groups (quaternary ammonium groups, imidazolium groups, etc.), such as Fumion (trademark) FAA-3. The thickness of the anode catalyst layer 132 is, for example, 1 to 100 μm.
アノード触媒層132は、例えば触媒成分粉末と、バインダーとを混合して触媒ペーストを調製し、この触媒ペーストをシート状に成形することで作製することができる。なお、触媒インクを拡散層134に塗布し、乾燥後にホットプレスすることで作製することもできる。また、アノード触媒層132は、固体高分子電解質膜110上に形成してもよい。 The anode catalyst layer 132 can be produced, for example, by mixing catalyst component powder with a binder to prepare a catalyst paste and then forming this catalyst paste into a sheet. It can also be produced by applying catalyst ink to the diffusion layer 134, drying it, and then hot pressing it. The anode catalyst layer 132 may also be formed on the solid polymer electrolyte membrane 110.
拡散層134は、セパレータ150bから供給される基質をアノード触媒層132に均一に拡散させる機能を担う。拡散層134を構成する材料は、基質に対して親和性が高いことが好ましい。拡散層134を構成する材料としては、例えばカーボンの織布(カーボンクロス)、カーボンの不織布、カーボンペーパー等を挙げることができる。拡散層134の厚さは、好ましくは50~1000μmである。 The diffusion layer 134 functions to uniformly diffuse the substrate supplied from the separator 150b into the anode catalyst layer 132. It is preferable that the material constituting the diffusion layer 134 has a high affinity for the substrate. Examples of materials constituting the diffusion layer 134 include woven carbon fabric (carbon cloth), nonwoven carbon fabric, and carbon paper. The thickness of the diffusion layer 134 is preferably 50 to 1000 μm.
セパレータ150bは、固体高分子電解質膜110とは反対側のアノード130の主表面に積層される。セパレータ150bは、セパレータ150aと同様の材料で構成することができる。セパレータ150bの拡散層134側の面には、単数または複数の溝状の流路152bが設けられる。流路152bには、往路部46aおよび復路部46bが接続される。セパレータ150bと、固体高分子電解質膜110と、これらの間に配置される枠状のスペーサ136とでアノード室が画成され、アノード室にアノード触媒層132と拡散層134とが収容される。 Separator 150b is laminated on the main surface of the anode 130 opposite the solid polymer electrolyte membrane 110. Separator 150b can be made of the same material as separator 150a. One or more groove-shaped flow paths 152b are provided on the surface of separator 150b facing the diffusion layer 134. The outgoing path section 46a and the returning path section 46b are connected to the flow path 152b. The separator 150b, the solid polymer electrolyte membrane 110, and the frame-shaped spacer 136 disposed between them define an anode chamber, which houses the anode catalyst layer 132 and the diffusion layer 134.
アノード室の流路152bには、往路部46aを介して基質が流入する。基質は、流路152bから拡散層134に浸み込む。アノード触媒層132での電解酸化反応の生成物と未反応の基質とは、復路部46bを介してアノード室から外部に流出し、基質貯蔵槽40に戻される。流路152bの形態は、流路152aと同様である。 The substrate flows into the flow path 152b of the anode chamber via the outward flow path 46a. The substrate permeates the diffusion layer 134 from the flow path 152b. The products of the electrolytic oxidation reaction in the anode catalyst layer 132 and the unreacted substrate flow out of the anode chamber via the return flow path 46b and are returned to the substrate storage tank 40. The configuration of the flow path 152b is the same as that of the flow path 152a.
固体高分子形電解ユニット100は、基質を電解酸化してアルデヒドを製造する。固体高分子電解質膜110がAEMであり、基質としてベンジルアルコールを用いた場合の固体高分子形電解ユニット100における反応は、以下の通りである。
<アノード130での電極反応>
OH-→O*+e-
C7H8O+O*→C7H6O+H2O
<カソード120での電極反応>
2H2O+2e-→2OH-+H2
<全反応>
2C7H8O→2C7H6O+H2
The solid polymer electrolysis unit 100 produces aldehyde by electrolytically oxidizing a substrate. When the solid polymer electrolyte membrane 110 is an AEM and benzyl alcohol is used as the substrate, the reaction in the solid polymer electrolysis unit 100 is as follows:
<Electrode Reaction at the Anode 130>
OH - →O * +e -
C 7 H 8 O+O * →C 7 H 6 O+H 2 O
<Electrode Reaction at Cathode 120>
2H 2 O+2e - →2OH - +H 2
<Total response>
2C 7 H 8 O→2C 7 H 6 O+H 2
すなわち、まずカソード120において、水が外部回路から電子を受け取り水素が発生し、同時に水酸化物イオン(OH-)が生成される。この水酸化物イオンはAEM中を伝導してアノード側へ供給される。 That is, first, water receives electrons from an external circuit at the cathode 120, generating hydrogen, and at the same time, hydroxide ions (OH − ) are generated. These hydroxide ions are conducted through the AEM and supplied to the anode side.
アノード触媒層132において、膜中を伝導してきた水酸化物イオン(OH-)から活性酸素種(O*)と電子(e-)とが生成される。生成された活性酸素種は、供給部44によってアノード触媒層132に供給された基質としてのベンジルアルコールと反応し、アルデヒドとしてのベンズアルデヒドと水(H2O)とが生成される。アノード130での電極反応と、カソード120での電極反応とは並行して進行する。 In the anode catalyst layer 132, active oxygen species (O * ) and electrons (e − ) are generated from hydroxide ions (OH − ) that have been conducted through the membrane. The generated active oxygen species react with benzyl alcohol as a substrate supplied to the anode catalyst layer 132 by the supply unit 44, generating benzaldehyde as an aldehyde and water (H 2 O). The electrode reactions at the anode 130 and the cathode 120 proceed in parallel.
固体高分子形電解ユニット100による基質の電解酸化において、制御部60は、アノード130の電位を、参照極電位またはカソード120を基準に制御する。カソードにPtを含む電極を用いる場合には、カソードにおける水素発生過電圧が実質ゼロとみなせるため、カソード電位を基準にアノード電位を制御することは、実質的に可逆水素電極(RHE)基準電位に制御することに等しい。RHEに対するアノード電位の制御範囲としては、好ましくは0.6V以上1.8V以下、より好ましくは0.8V以上1.6V以下とする。これにより、より効率よくアルデヒドを生成することができる。参照極電位を基準にアノード電位を制御する場合には、温度と電解質のpHを考慮して、RHE換算した電位が上記範囲となるように制御する。例えばAg/AgCl参照極電位を基準として、25℃、pH=14の電解質を用いる場合、参照極電位は-0.059×14-0.199=-1.025Vとなるため、当該参照極電位に対するアノード電位として好ましい範囲は-0.425V以上0.775V以下、より好ましい範囲は-0.225V以上0.575V以下となる(参照文献:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c02046)。 During the electrolytic oxidation of a substrate using the solid polymer electrolysis unit 100, the control unit 60 controls the potential of the anode 130 based on the reference electrode potential or the cathode 120. When a Pt-containing electrode is used as the cathode, the hydrogen generation overvoltage at the cathode can be considered to be essentially zero. Therefore, controlling the anode potential based on the cathode potential is essentially equivalent to controlling it to the reversible hydrogen electrode (RHE) reference potential. The control range of the anode potential relative to the RHE is preferably 0.6 V or higher and 1.8 V or lower, more preferably 0.8 V or higher and 1.6 V or lower. This allows for more efficient production of aldehyde. When controlling the anode potential based on the reference electrode potential, the RHE-equivalent potential is controlled to be within the above range, taking into account the temperature and the pH of the electrolyte. For example, when an electrolyte with a pH of 14 at 25°C is used with an Ag/AgCl reference electrode potential as the standard, the reference electrode potential is -0.059 x 14 - 0.199 = -1.025 V. Therefore, the preferred range for the anode potential relative to this reference electrode potential is -0.425 V or more and 0.775 V or less, and a more preferred range is -0.225 V or more and 0.575 V or less (reference: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c02046).
[アルデヒドの製造方法]
本実施の形態に係るアルデヒドの製造方法は、固体高分子形電解ユニット100を用いて基質を電解酸化し、アルデヒドを製造することを含む。より具体的には、アノード130に基質が供給され、カソード120にカソード液が供給される。そして、電力制御部20によって、固体高分子形電解ユニット100のアノード130とカソード120との間に所定の電圧が印加される。その際、可逆水素電極(RHE)に対するアノード130の電位は、好ましくは0.6V以上1.8V以下に、より好ましくは0.8V以上1.6V以下に制御される。
[Method for producing aldehyde]
The method for producing an aldehyde according to the present embodiment includes producing an aldehyde by electrolytically oxidizing a substrate using the solid polymer electrolysis unit 100. More specifically, a substrate is supplied to the anode 130, and a catholyte is supplied to the cathode 120. A predetermined voltage is then applied between the anode 130 and the cathode 120 of the solid polymer electrolysis unit 100 by the power control unit 20. At that time, the potential of the anode 130 relative to the reversible hydrogen electrode (RHE) is controlled preferably to be 0.6 V or more and 1.8 V or less, more preferably 0.8 V or more and 1.6 V or less.
これにより、アノード触媒層132において、カソード120側から移動してきた水酸化物イオンから活性酸素種と電子とが生成される。また、生成された活性酸素種と基質とが反応してアルデヒドと水とが生成される。生成された水は、固体高分子電解質膜110を通過して、カソード120側に移動する。そして、カソード触媒層122において、水から水酸化物イオンと水素とが生成される。 As a result, in the anode catalyst layer 132, active oxygen species and electrons are generated from the hydroxide ions that have migrated from the cathode 120 side. The generated active oxygen species then react with the substrate to generate aldehyde and water. The generated water passes through the solid polymer electrolyte membrane 110 and migrates to the cathode 120 side. Then, in the cathode catalyst layer 122, hydroxide ions and hydrogen are generated from the water.
以上説明したように、本実施の形態に係るアルデヒドの製造装置10は、固体高分子形電解ユニット100と、固体高分子形電解ユニット100に基質を供給する供給部44とを備える。固体高分子形電解ユニット100は、アノード触媒層132を含むアノード130と、カソード触媒層122を含むカソード120と、アノード130およびカソード120の間に設けられる固体高分子電解質膜110とを有する。供給部44は、アノード130に基質を供給する。そして、固体高分子形電解ユニット100は、基質を電解酸化してアルデヒドを製造する。また、本実施の形態に係るアルデヒドの製造方法は、固体高分子形電解ユニット100を用いて基質を電解酸化してアルデヒドを製造することを含む。 As described above, the aldehyde production apparatus 10 according to the present embodiment includes a solid polymer electrolysis unit 100 and a supply unit 44 that supplies a substrate to the solid polymer electrolysis unit 100. The solid polymer electrolysis unit 100 has an anode 130 including an anode catalyst layer 132, a cathode 120 including a cathode catalyst layer 122, and a solid polymer electrolyte membrane 110 disposed between the anode 130 and the cathode 120. The supply unit 44 supplies the substrate to the anode 130. The solid polymer electrolysis unit 100 then electrolytically oxidizes the substrate to produce aldehyde. The aldehyde production method according to the present embodiment also includes producing aldehyde by electrolytically oxidizing a substrate using the solid polymer electrolysis unit 100.
このように、本実施の形態では固体高分子形電解ユニット100を用いることによって、基質からアルデヒドを高選択的に合成することができる。また、アノード130での電極反応とカソード120での電極反応とが並行して起こるため、より簡単な工程でアルデヒドを合成することができる。 In this way, in this embodiment, by using the solid polymer electrolysis unit 100, aldehyde can be highly selectively synthesized from the substrate. Furthermore, because the electrode reaction at the anode 130 and the electrode reaction at the cathode 120 occur in parallel, aldehyde can be synthesized through a simpler process.
アノード触媒層132は、好ましくはRu、Rh、Pd、Ir、PtおよびAuからなる群から選択される少なくとも一種の触媒金属を含み、より好ましくはAuを含む。これにより、アルデヒドをより確実に生成することができる。 The anode catalyst layer 132 preferably contains at least one catalytic metal selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, and Au, and more preferably contains Au. This allows for more reliable production of aldehyde.
また、アノード触媒層132がAuを含む場合、アノード触媒層132は、触媒担体をさらに含み、少なくともAuを含む金属粒子が触媒担体上に担持されており、金属粒子の平均粒径が0.2nm以上50nm以下である。これにより、アルデヒドの製造効率を高めることができる。 Furthermore, when the anode catalyst layer 132 contains Au, the anode catalyst layer 132 further contains a catalyst support, in which metal particles containing at least Au are supported on the catalyst support, and the average particle size of the metal particles is 0.2 nm or more and 50 nm or less. This can improve the efficiency of aldehyde production.
また、アルデヒドの製造装置10は、固体高分子形電解ユニット100の電位を制御する制御部60を備える。制御部60は、可逆水素電極(RHE)に対するアノード130の電位を0.6V以上1.8V以下となるように制御する。これにより、アルデヒドの製造効率を高めることができる。 The aldehyde production apparatus 10 also includes a control unit 60 that controls the potential of the solid polymer electrolysis unit 100. The control unit 60 controls the potential of the anode 130 relative to the reversible hydrogen electrode (RHE) to be 0.6 V or higher and 1.8 V or lower. This increases the efficiency of aldehyde production.
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。 The following describes examples of the present invention, but these examples are merely illustrative examples for the purpose of explaining the present invention and are not intended to limit the present invention in any way.
(実施例1)
<固体高分子電解質膜の調製>
アニオン交換膜(AEM)Fumapem(商標)FAA-3を用意した。このAEM膜はBr-型である。AEMを所定サイズで切り出し、これを1M KOH水溶液中に室温で24時間浸漬後、イオン交換水で十分に洗浄した。これにより、AEMのBr-をOH-でイオン交換し、不純物を除去した。処理したAEM膜は、イオン交換水中で保存した。
Example 1
<Preparation of solid polymer electrolyte membrane>
An anion exchange membrane (AEM) Fumapem™ FAA-3 was prepared. This AEM membrane was Br - type. The AEM was cut to a predetermined size, immersed in a 1 M KOH aqueous solution at room temperature for 24 hours, and then thoroughly washed with ion-exchanged water. This ion - exchanged the Br- of the AEM with OH- , removing impurities. The treated AEM membrane was stored in ion-exchanged water.
<カソードの作製>
Pt/C(品番:TEC10E50E、田中貴金属社製)と、10wt% fumion(商標)FAA-3 NMP(N-メチル-2-ピロリドン)溶液と、純水と、1-プロパノール(1-PrOH)とを、それぞれの比率が質量比で4:18:18:60となるようにして混合した。得られた混合物をボールミルで粉砕して、還元極触媒層用の触媒組成物を得た。この触媒組成物を、電解質膜(商品名:Fumapem(商標)FAA-3、FumaTech社製)の一方の主表面にスプレーで塗布し、還元極触媒層を形成した。触媒の担持量は、Pt金属の幾何面積当たり0.5mg/cm2であった。
<Preparation of cathode>
Pt/C (product number: TEC10E50E, manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) was mixed with 10 wt % Fumion™ FAA-3 NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solution, pure water, and 1-propanol (1-PrOH) in a mass ratio of 4:18:18:60. The resulting mixture was pulverized in a ball mill to obtain a catalyst composition for the reduced electrode catalyst layer. This catalyst composition was spray-coated onto one main surface of an electrolyte membrane (product name: Fumapem™ FAA-3, manufactured by FumaTech) to form a reduced electrode catalyst layer. The catalyst loading was 0.5 mg/ cm² per geometric area of Pt metal.
<アノードの作製>
Au/C(ハルタゴールド社製)と、10wt% fumion(商標)FAA-3 NMP(N-メチル-2-ピロリドン)溶液と、純水と、1-プロパノール(1-PrOH)とを、それぞれの比率が質量比で4:18:18:60となるようにして混合した。得られた混合物をボールミルで粉砕して、酸化極触媒層用の触媒組成物を得た。この触媒組成物を、電解質膜(商品名:Fumapem(商標)FAA-3、FumaTech社製)のカソードを形成した面とは逆面にスプレーで塗布し、酸化極触媒層を形成した。触媒の担持量は、Au金属の幾何面積当たり0.5mg/cm2であった。以上の工程により、膜電極接合体(MEA)を得た。
<Preparation of anode>
Au/C (manufactured by Hartagold Co., Ltd.), 10 wt % Fumion™ FAA-3 NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) solution, pure water, and 1-propanol (1-PrOH) were mixed in a mass ratio of 4:18:18:60. The resulting mixture was pulverized in a ball mill to obtain a catalyst composition for an oxidizing electrode catalyst layer. This catalyst composition was spray-applied to the side of an electrolyte membrane (trade name: Fumapem™ FAA-3, manufactured by FumaTech Co., Ltd.) opposite the cathode side to form an oxidizing electrode catalyst layer. The catalyst loading was 0.5 mg/ cm² per geometric area of Au metal. A membrane electrode assembly (MEA) was obtained through the above process.
<電解実験>
作製したMEAをアノード室とカソード室との間に挟んだ2室型電解槽とした。該電解槽を用いて、アノードの入口から基質(アノード液)を供給し、アノードの出口から電解液で5mLを回収(20分)するまで定電位電解を実施した(ワンパス式)。反応条件は以下の通りである。
カソード液:1M水酸化カリウム(KOH)水溶液
アノード液:25mMベンジルアルコールの水/アセトニトリル(6:4)混合溶液
基質流速:0.25mL/分
参照電極:Ag/AgCl
電位:参照電極に対して0V,0.2V,0.4V
温度:室温
<Electrolysis experiment>
The fabricated MEA was sandwiched between the anode and cathode compartments to form a two-compartment electrolytic cell. Using this electrolytic cell, a substrate (anolyte) was supplied from the anode inlet, and constant-potential electrolysis was performed (one-pass system) until 5 mL of electrolyte was collected from the anode outlet (20 minutes). The reaction conditions were as follows:
Catholyte: 1 M potassium hydroxide (KOH) aqueous solution Anolyte: 25 mM benzyl alcohol in a water/acetonitrile (6:4) mixture Substrate flow rate: 0.25 mL/min Reference electrode: Ag/AgCl
Potential: 0 V, 0.2 V, 0.4 V relative to the reference electrode
Temperature: room temperature
<電解液の分析>
定電位電解の終了後、回収した電解液の成分を高性能液体クロマトグラフィー(HPLC)で分析した。具体的には、得られた生成物に対応するピーク面積と、予め当該物質を既知の濃度で調整したサンプルの測定結果から作成した検量線に基づき、モル濃度としてベンズアルデヒドを定量した。HPLCの分析結果から、目的生成物であるベンズアルデヒドの電流効率を以下の計算式によって求めた。
電流効率=(HPLCによる生成物のモル濃度)×(反応液体積)×(反応電子数)×(Faraday定数96,480)/(通電積算量)×100
<Analysis of Electrolyte>
After the completion of the constant-potential electrolysis, the components of the recovered electrolyte were analyzed by high-performance liquid chromatography (HPLC). Specifically, benzaldehyde was quantified as a molar concentration based on the peak area corresponding to the obtained product and a calibration curve prepared from the measurement results of samples prepared in advance with the substance at a known concentration. From the HPLC analysis results, the current efficiency of the target product, benzaldehyde, was calculated using the following formula:
Current efficiency = (molar concentration of product by HPLC) x (volume of reaction liquid) x (number of reaction electrons) x (Faraday constant 96,480) / (accumulated amount of current) x 100
(実施例2)
アノード金属触媒として、Auの代わりにPtを用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
Example 2
The MEA was fabricated, and the electrolysis experiment and analysis were carried out in the same manner as in Example 1, except that Pt was used instead of Au as the anode metal catalyst.
(比較例1)
アノードとして、金属触媒を含まないケッチェンブラックを用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Comparative Example 1)
The MEA was fabricated, and the electrolysis experiment and analysis were carried out in the same manner as in Example 1, except that Ketjen black containing no metal catalyst was used as the anode.
(参考例1)
アノード金属触媒として、Auの代わりにRuを用いた点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
(Reference example 1)
The MEA was fabricated, and the electrolysis experiment and analysis were carried out in the same manner as in Example 1, except that Ru was used instead of Au as the anode metal catalyst.
(実施例3)
参照電極に対する電位を0.2Vとし、アノード液を0.5M 1-プロパノール水溶液とし、ワンパス式の代わりにサイクル式で定電位電解を実施した点を除いて、実施例1と同様にMEA作製および電解実験を実施した。なお、サイクル式とは、アノード液を循環させることをいう。回収した電解液の成分を、ガスクロマトグラフィー(GC)で分析した。具体的には、得られた生成物に対応するピーク面積と、予め当該物質を既知の濃度で調整したサンプルの測定結果から作成した検量線に基づき、モル濃度としてプロピオンアルデヒドを定量した。GCの分析結果から、実施例1と同様に、目的生成物であるプロピオンアルデヒドの電流効率を求めた。
Example 3
MEA fabrication and electrolysis experiments were carried out in the same manner as in Example 1, except that the potential relative to the reference electrode was set to 0.2 V, the anolyte was a 0.5 M 1-propanol aqueous solution, and constant-potential electrolysis was performed in a cyclic manner instead of a single-pass manner. The cyclic manner refers to the circulation of the anolyte. The components of the recovered electrolyte were analyzed by gas chromatography (GC). Specifically, propionaldehyde was quantified as a molar concentration based on the peak area corresponding to the obtained product and a calibration curve created from the measurement results of samples in which the substance was previously prepared at a known concentration. From the GC analysis results, the current efficiency of the target product, propionaldehyde, was determined in the same manner as in Example 1.
(実施例4)
参照電極に対する電位を0.2Vとし、ワンパス式の代わりにサイクル式で定電位電解を実施した点を除いて、実施例1と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。HPLCによって、転化された基質(ベンジルアルコール)の量(基質転化量、mmol)、目的生成物(ベンズアルデヒド)の量(生成物量、mmol)を定量し、変換収率(生成物量/基質転化量×100)を算出した。
Example 4
Except for the potential relative to the reference electrode being 0.2 V and for cyclic constant-potential electrolysis being performed instead of one-pass, MEA fabrication, electrolysis experiments, and analysis were carried out in the same manner as in Example 1. The amount of the converted substrate (benzyl alcohol) (amount of substrate conversion, mmol) and the amount of the target product (benzaldehyde) (amount of product, mmol) were quantified by HPLC, and the conversion yield (amount of product/amount of substrate conversion x 100) was calculated.
(実施例5)
電解実験におけるアノード液を1M 1-プロパノール水溶液とした点を除いて、実施例3と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。GCによって基質転化量および生成物量を定量し、変換収率を算出した。
Example 5
Except for the fact that the anolyte in the electrolysis experiment was a 1 M aqueous 1-propanol solution, MEA fabrication, electrolysis experiment, and analysis were carried out in the same manner as in Example 3. The amounts of substrate conversion and product were quantified by GC, and the conversion yield was calculated.
(実施例6)
電解実験におけるアノード液を1M 3-メチル-2-ブテン-1-オールの水/アセトニトリル(6:4)混合溶液とした点を除いて、実施例5と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
Example 6
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 5, except that the anolyte in the electrolysis experiments was a mixed solution of 1 M 3-methyl-2-buten-1-ol in water/acetonitrile (6:4).
(実施例7)
電解実験におけるアノード液を25mM シンナミルアルコールの水/アセトニトリル(6:4)混合溶液とした点を除いて、実施例4と同様にMEA作製、電解実験および分析を実施した。
Example 7
MEA fabrication, electrolysis experiments and analysis were carried out in the same manner as in Example 4, except that the anolyte in the electrolysis experiments was a mixed solution of 25 mM cinnamyl alcohol in water/acetonitrile (6:4).
実施例1、実施例2、比較例1、参考例1における、アノード触媒の種類、電位、電流効率を表1に示す。 The type of anode catalyst, potential, and current efficiency for Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Reference Example 1 are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例1および2では、ベンジルアルコールから選択的にベンズアルデヒドが得られた。実施例1および2から、触媒金属としてAuを用いると、高い電流効率でベンズアルデヒドが得られることが確認された。また、HPLCの分析結果から、実施例1および2では、安息香酸やその他の副生成物は確認されなかった。すなわち、実施例1および2では、100%の選択性でアルデヒドを得ることができた。参考例1では、0.2Vの電位では1%、0.4Vでは3%の電流効率で安息香酸が得られた。また、安息香酸以外にもこれと同程度の生成物ピーク(未同定)が確認された。 As shown in Table 1, in Examples 1 and 2, benzaldehyde was selectively obtained from benzyl alcohol. Examples 1 and 2 confirmed that using Au as the catalytic metal enabled benzaldehyde to be obtained with high current efficiency. Furthermore, HPLC analysis results showed that no benzoic acid or other by-products were detected in Examples 1 and 2. In other words, aldehyde was obtained with 100% selectivity in Examples 1 and 2. In Reference Example 1, benzoic acid was obtained with a current efficiency of 1% at a potential of 0.2 V and 3% at 0.4 V. In addition to benzoic acid, product peaks (unidentified) of similar magnitude were also observed.
実施例3における電流効率を表2に示す。 The current efficiency in Example 3 is shown in Table 2.
表2に示すように、実施例3ではカルボン酸は検出されず、プロピオンアルデヒドが低い電流効率ながらも生成した。また、プロピオンアルデヒドと同程度のピークを有する副生成物(未同定)が1つ検出された。 As shown in Table 2, in Example 3, no carboxylic acid was detected, and propionaldehyde was produced, albeit at a low current efficiency. In addition, one by-product (unidentified) with a peak similar to that of propionaldehyde was detected.
実施例4、実施例5、実施例6、実施例7における電流効率、変換収率を表3に示す。 The current efficiency and conversion yield for Examples 4, 5, 6, and 7 are shown in Table 3.
表3に示すように、実施例4では高い収率でアルデヒドが得られた。実施例5ではアルデヒドやカルボン酸以外の生成物も確認され、目的生成物の変換収率は23%であった。実施例5の1-プロパノールに関しては基質の揮発による変換収率の低下も考えられる。実施例6では、カルボン酸は検出されず、アルデヒドのみが選択的に得られた。実施例7では、電流効率が23%と低い値となったが、HPLCの分析ではアルデヒドのみが検出され、カルボン酸を含む他の副生生物由来のピークは検出されなかった。なお、実施例7の基質であるシンナミルアルコールは紫外光に対する感度が非常に高く、過剰なピークが検出されたことから、変換収率を算出することができなかった。 As shown in Table 3, in Example 4, aldehyde was obtained in high yield. In Example 5, products other than aldehyde and carboxylic acid were also confirmed, and the conversion yield of the target product was 23%. For 1-propanol in Example 5, a decrease in conversion yield may have been due to volatilization of the substrate. In Example 6, no carboxylic acid was detected, and only aldehyde was selectively obtained. In Example 7, the current efficiency was low at 23%, but only aldehyde was detected in the HPLC analysis, and no peaks derived from other by-products, including carboxylic acid, were detected. Note that cinnamyl alcohol, the substrate in Example 7, is highly sensitive to UV light, and excessive peaks were detected, making it impossible to calculate the conversion yield.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。 The above provides a detailed description of the embodiments of the present invention. The above-described embodiments merely illustrate specific examples of how the present invention may be implemented. The content of the embodiments does not limit the technical scope of the present invention, and many design changes, such as modifications, additions, and deletions of components, are possible within the scope of the inventive concept defined in the claims. In the above-described embodiments, content for which such design changes are possible is emphasized by using notations such as "in this embodiment" or "in this embodiment," but design changes are also permitted even in content without such notation. Any combination of the above-described components is also valid as an aspect of the present invention. Hatching in cross sections in the drawings does not limit the material of the hatched objects.
10 アルデヒドの製造装置、 44 供給部、 60 制御部、 100 固体高分子形電解ユニット、 110 固体高分子電解質膜、 120 カソード、 122 カソード触媒層、 130 アノード、 132 アノード触媒層。 10: Aldehyde production apparatus, 44: Supply unit, 60: Control unit, 100: Solid polymer electrolysis unit, 110: Solid polymer electrolyte membrane, 120: Cathode, 122: Cathode catalyst layer, 130: Anode, 132: Anode catalyst layer.
Claims (14)
前記固体高分子形電解ユニットに基質を供給する供給部と、を備え、
前記固体高分子形電解ユニットは、前記基質を電解酸化してアルデヒドを製造し、
前記基質は第1級アルコールであり、かつ5-ヒドロキシメチルフルフラールではなく、
前記固体高分子形電解ユニットは、
アノード触媒層を含むアノードと、
カソード触媒層を含むカソードと、
前記アノードおよび前記カソードの間に設けられる固体高分子電解質膜と、を有し、
前記供給部は、前記アノードに前記基質を供給し、
前記カソード触媒層は、前記固体高分子電解質膜の一方の主表面に接しており、
前記アノード触媒層は、前記固体高分子電解質膜の他方の主表面に接しているアルデヒドの製造装置。 a solid polymer electrolysis unit;
a supply unit that supplies a substrate to the solid polymer electrolysis unit,
the solid polymer electrolysis unit electrolytically oxidizes the substrate to produce an aldehyde;
the substrate is a primary alcohol and is not 5-hydroxymethylfurfural;
The solid polymer electrolysis unit comprises:
an anode including an anode catalyst layer;
a cathode including a cathode catalyst layer;
a solid polymer electrolyte membrane provided between the anode and the cathode;
the supply unit supplies the substrate to the anode;
the cathode catalyst layer is in contact with one main surface of the solid polymer electrolyte membrane,
The anode catalyst layer is in contact with the other main surface of the solid polymer electrolyte membrane .
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