JP7758023B2 - Electrochemical reactors and artificial photosynthesizers - Google Patents
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Description
本発明は、還元反応用電極と酸化反応用電極とを備える電気化学リアクタ、およびその電気化学リアクタを備える人工光合成装置に関する。 The present invention relates to an electrochemical reactor equipped with a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode, and an artificial photosynthesis device equipped with the electrochemical reactor.
太陽光エネルギーを用いて水(H2O)と二酸化炭素(CO2)からギ酸(HCOOH)、一酸化炭素(CO)等を合成する人工光合成は、地球温暖化防止のための二酸化炭素排出量削減の技術の1つとして期待され、研究が極めて活発に行われている。人工光合成反応において、酸化反応用電極では水が酸化されて電子とプロトンを供給し、酸素(O2)が生成される。この電子とプロトンを用いて還元反応用電極で二酸化炭素が還元される。 Artificial photosynthesis, which uses solar energy to synthesize formic acid (HCOOH), carbon monoxide (CO), etc. from water ( H2O ) and carbon dioxide ( CO2 ), is expected to be one of the technologies for reducing carbon dioxide emissions to prevent global warming, and research into it is being conducted very actively. In the artificial photosynthesis reaction, water is oxidized at the oxidation reaction electrode, supplying electrons and protons, and oxygen ( O2 ) is produced. Carbon dioxide is reduced at the reduction reaction electrode using these electrons and protons.
例えば、非特許文献1,2には、アノード(酸化反応用電極)とカソード(還元反応用電極)を備えた人工光合成セルに、タンク内で二酸化炭素をリン酸緩衝水溶液に飽和溶解させた電解液をポンプによって供給してギ酸の生成を行う大型人工光合成システムが記載されている。この大型人工光合成システムでは、ギ酸が溶け込んだ電解液は、人工光合成セルから排出後、タンクに戻し、その後、再び人工光合成セルに供給する循環型で運転している。 For example, Non-Patent Documents 1 and 2 describe a large-scale artificial photosynthesis system in which formic acid is produced by pumping an electrolyte solution, in which carbon dioxide is saturated and dissolved in a phosphate buffer solution, in a tank to an artificial photosynthesis cell equipped with an anode (electrode for oxidation reactions) and a cathode (electrode for reduction reactions). In this large-scale artificial photosynthesis system, the electrolyte solution with dissolved formic acid is discharged from the artificial photosynthesis cell, returned to the tank, and then supplied again to the artificial photosynthesis cell, operating in a circulating manner.
特許文献1には、酸化触媒を備えた酸化反応用電解槽と、還元触媒を備えた還元反応用電解槽とを有し、二酸化炭素を溶解した電解液を還元反応用電解槽に供給し、二酸化炭素の還元によりアルコールを生成する還元物生産システムが記載されている。特許文献1には、生成したアルコールの分離方法として蒸留塔が記載されている(特許文献1の図1参照)。 Patent Document 1 describes a reduction product production system that has an oxidation reaction electrolytic cell equipped with an oxidation catalyst and a reduction reaction electrolytic cell equipped with a reduction catalyst, and supplies an electrolyte solution containing dissolved carbon dioxide to the reduction reaction electrolytic cell to produce alcohol by reducing the carbon dioxide. Patent Document 1 also describes a distillation column as a method for separating the produced alcohol (see Figure 1 of Patent Document 1).
特許文献2には、ギ酸を含む水溶液から、下記式(1)で示すアルキルアミンと有機溶媒とを用いて、ギ酸を回収する回収工程と、回収工程で得られたギ酸を含む有機溶媒層から有機溶媒を減圧または常圧にて留去する留去工程と、を含む、ギ酸回収方法が記載されている。
R1R2R3N (1)
(式(1)において、R1~R3のうち少なくとも2つは独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であり、残りは水素原子を示す。)
Patent Document 2 describes a method for recovering formic acid, which includes a recovery step of recovering formic acid from an aqueous solution containing formic acid by using an alkylamine represented by the following formula (1) and an organic solvent, and a distillation step of distilling the organic solvent from the organic solvent layer containing formic acid obtained in the recovery step under reduced pressure or at normal pressure.
R 1 R 2 R 3 N (1)
(In formula (1), at least two of R 1 to R 3 are independently an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, and the rest are hydrogen atoms.)
特許文献3には、水溶液中のギ酸の回収方法として、ギ酸イオンを含む塩基性溶液を陽イオン交換樹脂と接触させて、ギ酸イオンを含む酸性溶液を得る第一の工程、この酸性溶液を陰イオン交換樹脂と接触させて、ギ酸イオンを陰イオン交換樹脂に吸着させる第二の工程、吸着されたギ酸イオンを、酸を含む溶離液によって陰イオン交換樹脂から溶出させる第三の工程、を含む、ギ酸溶液の濃縮方法が記載されている。 Patent Document 3 describes a method for concentrating a formic acid solution as a method for recovering formic acid from an aqueous solution, including a first step of contacting a basic solution containing formate ions with a cation exchange resin to obtain an acidic solution containing formate ions, a second step of contacting this acidic solution with an anion exchange resin to adsorb the formate ions onto the anion exchange resin, and a third step of eluting the adsorbed formate ions from the anion exchange resin with an eluent containing acid.
非特許文献1,2に記載の大型人工光合成システムでは、電解液および電解液に溶かし込んだ二酸化炭素を有効に利用するため、タンクから人工光合成セルに送液された電解液を排出後に、再びタンクに戻す循環型で運転している。人工光合成セルの反応で生成したギ酸は電解液に溶け込んだ状態で排出されるため、運転の継続により電解液中のギ酸濃度が上昇する。ただし、ギ酸濃度が上昇すると酸化反応用電極でのギ酸の分解や、還元反応用電極でのギ酸生成の阻害等によって人工光合成セルの特性が低下する問題がある。 In the large-scale artificial photosynthesis systems described in Non-Patent Documents 1 and 2, in order to effectively utilize the electrolyte and the carbon dioxide dissolved in it, the electrolyte is pumped from a tank to the artificial photosynthesis cell, discharged, and then returned to the tank in a circulating system. Because formic acid produced by the reaction in the artificial photosynthesis cell is discharged dissolved in the electrolyte, the formic acid concentration in the electrolyte increases with continued operation. However, an increase in formic acid concentration can lead to problems such as a decrease in the performance of the artificial photosynthesis cell due to factors such as the decomposition of formic acid at the oxidation reaction electrode and the inhibition of formic acid production at the reduction reaction electrode.
特許文献1では、生成物であるアルコールの回収方法として蒸留塔を用いているが、蒸留では加熱のための多くのエネルギーが必要であり、また、ギ酸の沸点が101℃であることを考慮すると、水(沸点100℃)からのギ酸の分取は困難である。さらに、電解液であるリン酸緩衝水溶液に溶け込んだギ酸の多くはギ酸塩(ギ酸カリウム)となるため、蒸留による回収量は大幅に低下する。 Patent Document 1 uses a distillation column to recover the alcohol product, but distillation requires a large amount of energy for heating, and considering that formic acid has a boiling point of 101°C, it is difficult to separate formic acid from water (boiling point 100°C). Furthermore, much of the formic acid dissolved in the phosphate buffer solution (electrolyte) becomes formate (potassium formate), significantly reducing the amount recovered by distillation.
特許文献2では、アルキルアミン系の抽出剤は電解液中のギ酸カリウムとの塩を形成しないので、ギ酸塩は抽出することができない。したがって、ギ酸の抽出率が大幅に低下する問題がある。 In Patent Document 2, the alkylamine extractant does not form a salt with the potassium formate in the electrolyte, so formate cannot be extracted. Therefore, there is a problem in that the extraction rate of formic acid is significantly reduced.
特許文献3では、ギ酸イオンを含む塩基性溶液からのギ酸の取り出しに、強酸性陽イオン交換樹脂を用いて溶液を酸性にした後、次に陰イオン交換樹脂を用いてギ酸イオンを陰イオン交換樹脂に吸着させているが、煩雑な工程が必要であり、さらに電解液を再利用するには再生処理が必要となる。 In Patent Document 3, to extract formic acid from a basic solution containing formate ions, a strongly acidic cation exchange resin is used to acidify the solution, and then an anion exchange resin is used to adsorb the formate ions onto the anion exchange resin. However, this requires complicated steps, and furthermore, a regeneration process is required to reuse the electrolyte.
本発明の目的は、還元反応用電極と酸化反応用電極とを備える電気化学リアクタにおいて、特性低下を抑制し、安定した動作を維持することができ、生成した有機酸を回収する際の消費エネルギーを抑制し、回収量を向上することができる電気化学リアクタ、およびその電気化学リアクタを備える人工光合成装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide an electrochemical reactor equipped with a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode that can suppress deterioration in characteristics, maintain stable operation, reduce energy consumption when recovering the generated organic acid, and increase the amount recovered, as well as an artificial photosynthesis device equipped with such an electrochemical reactor.
本発明は、容器内に還元触媒を含む還元反応用電極と酸化触媒を含む酸化反応用電極とが配置され、反応基質を還元して有機酸を生成する電気化学反応セルと;pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を溶解した電解液を入れるタンクと;前記タンクから前記容器に前記電解液を供給する電解液供給手段と;前記容器内から排出された、前記反応基質の還元により生じた前記有機酸が溶け込んだ電解液から、2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒に前記有機酸を抽出する液液抽出装置と;を備え、前記有機酸は、ギ酸、酢酸、およびプロピオン酸のうちの少なくとも1つを含み、前記pkaが6~8の塩は、リン酸二水素カリウムを含み、前記中性の塩は、硫酸カリウムを含み、前記2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つは、下記式(1)で示されるアルキルアミンを含む、電気化学リアクタである。
R
1
R
2
R
3
N (1)
(式(1)において、R
1
,R
2
,R
3
のうち少なくとも2つは、独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であり、残りは水素原子を示す。)
The present invention provides an electrochemical reactor comprising: an electrochemical reaction cell in which a reduction reaction electrode containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode containing an oxidation catalyst are disposed within a container, and which produces an organic acid by reducing a reaction substrate; a tank for holding an electrolyte solution in which a salt having a PKa of 6 to 8, a neutral salt, or both are dissolved; electrolyte supply means for supplying the electrolyte solution from the tank to the container; and a liquid-liquid extraction device for extracting the organic acid from the electrolyte solution discharged from the container and containing the organic acid produced by the reduction of the reaction substrate, into an organic solvent containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine; wherein the organic acid comprises at least one of formic acid, acetic acid, and propionic acid, the salt having a PKa of 6 to 8 comprises potassium dihydrogen phosphate, the neutral salt comprises potassium sulfate, and at least one of the secondary amine and the tertiary amine comprises an alkylamine represented by the following formula (1) :
R 1 R 2 R 3 N (1)
(In formula (1), at least two of R 1 , R 2 , and R 3 are independently an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, and the rest are hydrogen atoms.)
前記電気化学リアクタにおいて、前記液液抽出装置は、ミキサーセトラー式抽出装置、塔形式装置、および遠心式抽出装置の少なくとも1つであることが好ましい。 In the electrochemical reactor, the liquid-liquid extraction device is preferably at least one of a mixer-settler type extraction device, a column type extraction device, and a centrifugal type extraction device.
前記電気化学リアクタにおいて、前記反応基質は、二酸化炭素であり、前記反応基質の還元により生じた前記有機酸は、ギ酸であることが好ましい。 In the electrochemical reactor, it is preferable that the reaction substrate is carbon dioxide, and the organic acid produced by reduction of the reaction substrate is formic acid.
前記電気化学リアクタにおいて、前記還元触媒は、ルテニウム錯体ポリマーであり、前記酸化触媒は、酸化イリジウムであることが好ましい。 In the electrochemical reactor, it is preferable that the reduction catalyst is a ruthenium complex polymer and the oxidation catalyst is iridium oxide.
前記電気化学リアクタにおいて、前記電解液を前記電気化学反応セルの前記容器内から排出後、前記タンクに循環する循環手段をさらに備えることが好ましい。 It is preferable that the electrochemical reactor further includes a circulation means for circulating the electrolyte back to the tank after it is discharged from the container of the electrochemical reaction cell.
本発明は、前記電気化学リアクタと、前記酸化反応用電極および前記還元反応用電極に供給される電力を生成する太陽電池セルと、を備える、人工光合成装置である。 The present invention is an artificial photosynthesis device comprising the electrochemical reactor and a solar cell that generates electricity to be supplied to the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode.
本発明により、還元反応用電極と酸化反応用電極とを備える電気化学リアクタにおいて、特性低下を抑制し、安定した動作を維持することができ、生成した有機酸を回収する際の消費エネルギーを抑制し、回収量を向上することができる電気化学リアクタ、およびその電気化学リアクタを備える人工光合成装置を提供することができる。 The present invention provides an electrochemical reactor equipped with a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode that can suppress deterioration in characteristics, maintain stable operation, reduce energy consumption when recovering the generated organic acid, and increase the amount recovered, as well as an artificial photosynthesis device equipped with such an electrochemical reactor.
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described below. This embodiment is an example of implementing the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.
本実施形態に係る電気化学リアクタは、容器内に還元触媒を含む還元反応用電極と酸化触媒を含む酸化反応用電極とが配置され、反応基質を還元して有機酸を生成する電気化学反応セルと;pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を溶解した電解液を入れるタンクと;タンクから容器に電解液を供給する電解液供給手段と;容器内から排出された、反応基質の還元により生じた有機酸が溶け込んだ電解液から、2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒に有機酸を抽出する液液抽出装置と;を備える、電気化学リアクタである。電気化学リアクタは、例えば、二酸化炭素還元装置とすることができ、電気化学リアクタと、太陽電池セルと、を組み合わせた人工光合成装置とすることもできる。 The electrochemical reactor of this embodiment is an electrochemical reactor comprising: an electrochemical reaction cell in which a reduction reaction electrode containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode containing an oxidation catalyst are disposed within a container, and which produces an organic acid by reducing a reaction substrate; a tank containing an electrolyte solution in which a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both are dissolved; an electrolyte supply means for supplying the electrolyte solution from the tank to the container; and a liquid-liquid extraction device for extracting the organic acid from the electrolyte solution discharged from the container, into an organic solvent containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine, the organic acid being dissolved in the electrolyte solution produced by the reduction of the reaction substrate. The electrochemical reactor can be, for example, a carbon dioxide reduction device, or it can also be an artificial photosynthesis device that combines an electrochemical reactor with a solar cell.
本発明の実施形態に係る電気化学リアクタ、およびその電気化学リアクタを備える人工光合成装置の一例の概略を図1に示し、その構成について説明する。 Figure 1 shows an outline of an electrochemical reactor according to an embodiment of the present invention, and an example of an artificial photosynthesis device equipped with that electrochemical reactor, and its configuration will be described below.
電気化学リアクタ3は、例えば、容器20内に、反応基質(例えば、二酸化炭素)の還元反応を進行させる、還元触媒を含む還元反応用電極16と、還元反応用電極16と電気的に接続され、酸化反応を生起する、酸化触媒を含む酸化反応用電極18と、が離間されて対向する位置に配置され、還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間を、反応基質を含む電解液が流れる流路を有する電気化学反応セル10を備える。電気化学リアクタ3は、pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を溶解した電解液を入れるタンク12と;タンク12から電気化学反応セル10の容器20に電解液を供給する電解液供給手段として、ポンプ22と電解液供給配管24と;容器20内から排出された、反応基質の還元により生じた有機酸が溶け込んだ電解液から、抽出剤としての2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒に有機酸を抽出する液液抽出装置14と;を備える。電気化学リアクタ3は、タンク12等へ反応基質を供給する反応基質供給源30を備えてもよい。 The electrochemical reactor 3 includes, for example, an electrochemical reaction cell 10 having a vessel 20, a reduction electrode 16 containing a reduction catalyst that promotes the reduction reaction of a reaction substrate (e.g., carbon dioxide), and an oxidation electrode 18 electrically connected to the reduction electrode 16 and containing an oxidation catalyst that causes an oxidation reaction. The reduction electrode 16 and the oxidation electrode 18 are positioned facing each other at a distance from each other, and the electrochemical reaction cell 10 has a flow path through which an electrolyte containing a reaction substrate flows between the reduction electrode 16 and the oxidation electrode 18. The electrochemical reactor 3 includes: a tank 12 containing an electrolyte solution containing a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both dissolved therein; a pump 22 and an electrolyte supply pipe 24 as electrolyte supply means for supplying the electrolyte solution from the tank 12 to the vessel 20 of the electrochemical reaction cell 10; and a liquid-liquid extraction device 14 that extracts the organic acid from the electrolyte solution discharged from the vessel 20, into an organic solvent containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine as an extractant. The organic acid is dissolved in the electrolyte solution, which has been produced by the reduction of the reaction substrate and is discharged from the vessel 20. The electrochemical reactor 3 may include a reactant supply source 30 that supplies reactant substrates to the tank 12, etc.
人工光合成装置1は、電気化学リアクタ3と、電気化学リアクタ3の還元反応用電極16および酸化反応用電極18に供給される電力を生成する太陽電池セル34と、を備える。 The artificial photosynthesis device 1 includes an electrochemical reactor 3 and a solar cell 34 that generates electricity supplied to the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 of the electrochemical reactor 3.
電気化学リアクタ3において、タンク12の電解液出口と電気化学反応セル10の電解液入口とは、ポンプ22を介して電解液供給配管24により接続されている。電気化学反応セル10の電解液出口と液液抽出装置14の電解液入口とは、電解液排出配管26により接続されている。液液抽出装置14の電解液出口とタンク12の電解液入口とは、循環配管28により接続されている。反応基質供給源30の反応基質出口とタンク12の反応基質入口とは、反応基質供給配管32により接続されている。人工光合成装置1において、電気化学リアクタ3の還元反応用電極16および酸化反応用電極18と、太陽電池セル34とは、電気的に接続されている。 In the electrochemical reactor 3, the electrolyte outlet of the tank 12 and the electrolyte inlet of the electrochemical reaction cell 10 are connected by an electrolyte supply pipe 24 via a pump 22. The electrolyte outlet of the electrochemical reaction cell 10 and the electrolyte inlet of the liquid-liquid extraction device 14 are connected by an electrolyte discharge pipe 26. The electrolyte outlet of the liquid-liquid extraction device 14 and the electrolyte inlet of the tank 12 are connected by a circulation pipe 28. The reactant outlet of the reactant substrate supply source 30 and the reactant substrate inlet of the tank 12 are connected by a reactant substrate supply pipe 32. In the artificial photosynthesis device 1, the reduction reaction electrode 16 and oxidation reaction electrode 18 of the electrochemical reactor 3 are electrically connected to the solar cell 34.
電気化学リアクタ3において、タンク12には、pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を水等の溶媒に溶解した電解液が収容されている。また、反応基質供給源30から反応基質供給配管32を通して反応基質(例えば、二酸化炭素)がタンク12へ供給され、タンク12内で電解液に反応基質が溶解される。pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方と、反応基質と、が溶解した電解液は、タンク12の電解液出口からポンプ22によって電解液供給配管24を通して電気化学反応セル10の電解液入口から容器20内へ供給され、還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間の流路を通り、容器20の電解液出口から排出される。 In the electrochemical reactor 3, the tank 12 contains an electrolyte solution in which a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both are dissolved in a solvent such as water. A reactant (e.g., carbon dioxide) is supplied to the tank 12 from the reactant supply source 30 through the reactant supply pipe 32, and the reactant is dissolved in the electrolyte solution within the tank 12. The electrolyte solution in which the salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both, and the reactant are dissolved is supplied by the pump 22 from the electrolyte outlet of the tank 12 through the electrolyte supply pipe 24 and into the container 20 from the electrolyte inlet of the electrochemical reaction cell 10. The electrolyte then passes through the flow path between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 and is discharged from the electrolyte outlet of the container 20.
還元反応用電極16と酸化反応用電極18の間に適切なバイアス電圧を印加すると、酸化反応用電極18においては、酸化反応が生起され、例えば、水(H2O)が酸化されて酸素(1/2O2)が得られるとともに、電子が生成する。還元反応用電極16においては、酸化反応により生成する電子を受け取ることによって、例えば二酸化炭素(CO2)等の反応基質が還元されてギ酸(HCOOH)等の有機酸が生成される(電気化学反応工程)。 When an appropriate bias voltage is applied between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18, an oxidation reaction occurs at the oxidation reaction electrode 18, and for example, water (H 2 O) is oxidized to obtain oxygen (½O 2 ) and electrons are generated. At the reduction reaction electrode 16, by receiving the electrons generated by the oxidation reaction, a reaction substrate such as carbon dioxide (CO 2 ) is reduced to generate an organic acid such as formic acid (HCOOH) (electrochemical reaction process).
電気化学反応セル10の容器20の電解液出口から排出された、反応基質の還元により生じた有機酸が溶け込んだ電解液は、電解液排出配管26を通して液液抽出装置14の電解液入口から液液抽出装置14へ送液される。液液抽出装置14において、電解液から2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒(抽出剤)に有機酸が抽出される(液液抽出工程)。液液抽出装置14の電解液出口から排出された、有機酸が抽出され、有機酸の量が低減した電解液は、循環配管28を通してタンク12へ循環されてもよい(循環工程)。例えば、ポンプ22、電解液排出配管26、循環配管28等が循環手段として機能することになる。 The electrolyte, which has dissolved therein the organic acid produced by the reduction of the reaction substrate and is discharged from the electrolyte outlet of the container 20 of the electrochemical reaction cell 10, is sent to the liquid-liquid extraction device 14 from its electrolyte inlet via the electrolyte discharge pipe 26. In the liquid-liquid extraction device 14, the organic acid is extracted from the electrolyte into an organic solvent (extractant) containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine (liquid-liquid extraction process). The electrolyte, from which the organic acid has been extracted and whose amount has been reduced, discharged from the electrolyte outlet of the liquid-liquid extraction device 14 may be circulated to the tank 12 via the circulation pipe 28 (circulation process). For example, the pump 22, the electrolyte discharge pipe 26, the circulation pipe 28, etc. function as the circulation means.
本実施形態に係る電気化学リアクタでは、還元反応用電極と酸化反応用電極とを備える電気化学リアクタにおいて、ギ酸塩等の有機酸塩を形成しにくいpkaが6~8の塩または中性の塩を含む電解液を用い、ギ酸等の有機酸を電解液から回収する液液抽出装置を備えることによって、特性低下を抑制し、安定した動作を維持することができ、生成した有機酸を回収する際の消費エネルギーを抑制し、回収量を向上することができる。電解液中のギ酸等の有機酸の簡便な取り出しと電解液の再利用が可能となり、電解液中のギ酸等の有機酸の濃度の上昇を抑制して安定した動作を維持することができる。 In the electrochemical reactor according to this embodiment, which is an electrochemical reactor equipped with a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode, an electrolyte containing a salt with a pKa of 6 to 8 or a neutral salt that is unlikely to form an organic acid salt such as formate is used, and a liquid-liquid extraction device is provided to recover organic acids such as formic acid from the electrolyte. This prevents deterioration of characteristics, maintains stable operation, reduces energy consumption when recovering the generated organic acid, and increases the amount recovered. Organic acids such as formic acid can be easily extracted from the electrolyte and the electrolyte can be reused, preventing an increase in the concentration of organic acids such as formic acid in the electrolyte and maintaining stable operation.
電気化学リアクタにおいて、反応基質としては、例えば、炭素化合物が挙げられ、例えば、二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)とすることができる。反応基質は、電解液への溶解性等の点から、二酸化炭素が好ましい。 In the electrochemical reactor, examples of the reaction substrate include carbon compounds, such as carbon dioxide (CO 2 ) and carbon monoxide (CO). Carbon dioxide is preferred as the reaction substrate in terms of its solubility in the electrolyte.
電気化学リアクタにおいて、反応基質の還元により生じる有機酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸等が挙げられる。有機酸は、還元反応の選択性等の点からギ酸、酢酸、およびプロピオン酸のうちの少なくとも1つであることが好ましく、ギ酸であることがより好ましい。 In electrochemical reactors, examples of organic acids produced by reduction of reaction substrates include formic acid, acetic acid, and propionic acid. From the standpoint of reduction reaction selectivity, the organic acid is preferably at least one of formic acid, acetic acid, and propionic acid, and more preferably formic acid.
電気化学リアクタにおいて、電解液に含まれるpkaが6~8の塩としては、特に制限はないが、例えば、リン酸二水素カリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素リチウム、リン酸二水素カルシウム、リン酸二水素マグネシウム、リン酸二水素セシウム、リン酸二水素ルビジウム、炭酸水素マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化セシウム、塩化ルビジウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸セシウム、硝酸ルビジウム、チオシアン酸カリウム、チオシアン酸ナトリウム、チオシアン酸リチウム、チオシアン酸マグネシウム、チオシアン酸セシウム、チオシアン酸ルビジウム等が挙げられる。pkaが6~8の塩は、溶解性等の点からリン酸二水素カリウムであることが好ましい。pkaが6~8の塩は、これらのうち1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。なお、塩のpkaは、中和滴定の方法で決定することができる。 In electrochemical reactors, the salt with a pKa of 6 to 8 contained in the electrolyte is not particularly limited, but examples include potassium dihydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, lithium dihydrogen phosphate, calcium dihydrogen phosphate, magnesium dihydrogen phosphate, cesium dihydrogen phosphate, rubidium dihydrogen phosphate, magnesium bicarbonate, magnesium chloride, cesium chloride, rubidium chloride, magnesium nitrate, calcium nitrate, cesium nitrate, rubidium nitrate, potassium thiocyanate, sodium thiocyanate, lithium thiocyanate, magnesium thiocyanate, cesium thiocyanate, and rubidium thiocyanate. Of the salts with a pKa of 6 to 8, potassium dihydrogen phosphate is preferred from the standpoint of solubility, etc. These salts with a pKa of 6 to 8 may be used alone or in combination of two or more. The pKa of a salt can be determined by neutralization titration.
電気化学リアクタにおいて、電解液に含まれる中性の塩としては、水に溶解したときにpH6.0~8.0を示す無機塩であればよく、特に制限はないが、例えば、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸リチウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウム、臭化リチウム、臭化マグネシウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸リチウム、過塩素酸カリウム、過塩素酸ナトリウム、過塩素酸リチウム等が挙げられる。中性の塩は、溶解性等の点から硫酸カリウムであることが好ましい。中性の塩は、これらのうち1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。 In electrochemical reactors, the neutral salt contained in the electrolyte is not particularly limited as long as it is an inorganic salt that exhibits a pH of 6.0 to 8.0 when dissolved in water. Examples include potassium sulfate, sodium sulfate, lithium sulfate, magnesium sulfate, calcium sulfate, potassium chloride, sodium chloride, lithium chloride, potassium bromide, sodium bromide, lithium bromide, magnesium bromide, potassium iodide, sodium iodide, lithium iodide, potassium nitrate, sodium nitrate, lithium nitrate, potassium perchlorate, sodium perchlorate, and lithium perchlorate. From the standpoint of solubility, etc., potassium sulfate is preferred as the neutral salt. These neutral salts may be used alone or in combination of two or more.
pkaが6~8の塩を単独で用いてもよいし、中性の塩を単独で用いてもよいし、pkaが6~8の塩と中性の塩とを併用して用いてもよい。 A salt with a pKa of 6 to 8 may be used alone, a neutral salt may be used alone, or a salt with a pKa of 6 to 8 may be used in combination with a neutral salt.
電解液の溶媒は、例えば、純水等の水である。 The solvent for the electrolyte is, for example, water such as pure water.
電解液中のpkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方の濃度は、例えば、0.01M~5.0Mの範囲とすればよく、0.1M~1.0Mの範囲であることが好ましい。電解液中のpkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方の濃度が0.01M未満であると、導電率が不足する場合があり、5.0Mを超えると、塩の析出が生じる場合がある。 The concentration of the salt with a pKa of 6-8, the neutral salt, or both in the electrolyte may be, for example, in the range of 0.01 M to 5.0 M, and preferably in the range of 0.1 M to 1.0 M. If the concentration of the salt with a pKa of 6-8, the neutral salt, or both in the electrolyte is less than 0.01 M, the conductivity may be insufficient, and if it exceeds 5.0 M, salt precipitation may occur.
液液抽出装置14において用いられる2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つとしては、特に制限はないが、例えば、ジドデシルアミン、ジウンデシルアミン等の2級アミン、トリオクチルアミン、トリヘプチルアミン等の3級アミンの他に、下記式(1)で示されるアルキルアミン等が挙げられる。これらの2級アミンおよび3級アミンのうち1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。
R1R2R3N (1)
(式(1)において、R1,R2,R3のうち少なくとも2つは、独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であり、残りは水素原子を示す。)
The at least one of the secondary amine and the tertiary amine used in the liquid-liquid extractor 14 is not particularly limited, and examples thereof include secondary amines such as didodecylamine and diundecylamine, tertiary amines such as trioctylamine and triheptylamine, and alkylamines represented by the following formula (1): One of these secondary amines and tertiary amines may be used alone, or two or more of them may be used in combination.
R 1 R 2 R 3 N (1)
(In formula (1), at least two of R 1 , R 2 , and R 3 are independently an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, and the rest are hydrogen atoms.)
これらのうち、上記式(1)で示されるアルキルアミンが好ましい。上記式(1)で示されるアルキルアミンは、ブレンステッド塩基であり、かつ、非水溶性である。そのため、上記式(1)で示されるアルキルアミンを含む有機溶媒を、ギ酸等の有機酸を含む電解液と接触することによって、ブレンステッド酸であるギ酸等の有機酸からプロトンを受容して、ギ酸塩等の有機酸塩を形成する。さらに、形成されたギ酸塩等の有機酸塩は、静置することによって、容易に水と分離することができる。したがって、簡便に、加熱等のエネルギーを大きく消費しなくても、生成した有機酸を回収することができる。 Among these, alkylamines represented by the above formula (1) are preferred. The alkylamines represented by the above formula (1) are Brønsted bases and are water-insoluble. Therefore, when an organic solvent containing the alkylamine represented by the above formula (1) is brought into contact with an electrolyte containing an organic acid such as formic acid, the alkylamine accepts a proton from the organic acid, which is a Brønsted acid, to form an organic acid salt such as formate. Furthermore, the formed organic acid salt such as formate can be easily separated from water by leaving it to stand. Therefore, the generated organic acid can be easily recovered without consuming a large amount of energy, such as by heating.
上記式(1)で示すアルキルアミンにおいて、R1~R3のうち少なくとも2つは独立して炭素数6以上12以下のアルキル基である。炭素数6以上12以下のアルキル基は、直鎖アルキル基であってもよいし、分岐アルキル基であってもよいし、環状アルキル基であってもよい。アルキル基は、アミンが水と容易に分離するよう、炭素数6以上のアルキル基であることが好ましく、炭素数8以上のアルキル基であることがより好ましく、炭素数8のアルキル基であることがさらに好ましい。アルキル基の炭素数が増加すると、回収後の溶液の体積が増加して、相対的にギ酸等の有機酸の濃度が低下するため、炭素数10以下のアルキル基であることが好ましい。また、アルキル基は、アミンがギ酸等の有機酸と相互作用して塩を形成できる空間を有していることが好ましいため、直鎖アルキル基であることが好ましい。 In the alkylamine represented by the above formula (1), at least two of R 1 to R 3 are independently an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms. The alkyl group having 6 to 12 carbon atoms may be a linear alkyl group, a branched alkyl group, or a cyclic alkyl group. The alkyl group is preferably an alkyl group having 6 or more carbon atoms, more preferably an alkyl group having 8 or more carbon atoms, and even more preferably an alkyl group having 8 carbon atoms, so that the amine can be easily separated from water. As the number of carbon atoms in the alkyl group increases, the volume of the solution after recovery increases, resulting in a relative decrease in the concentration of the organic acid such as formic acid. Therefore, an alkyl group having 10 or less carbon atoms is preferred. Furthermore, the alkyl group is preferably a linear alkyl group because it preferably has a space in which the amine can interact with the organic acid such as formic acid to form a salt.
上記式(1)で示すアルキルアミンは、R1~R3のうち2つがそれぞれ独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であり、残り1つが水素原子である2級アミンであってもよいし、R1~R3のすべてがそれぞれ独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であるアルキルアミンであってもよい。アミンが水と容易に分離するよう、R1~R3はすべて独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であることがより好ましい。 The alkylamine represented by the above formula (1) may be a secondary amine in which two of R 1 to R 3 are independently alkyl groups having from 6 to 12 carbon atoms and the remaining one is a hydrogen atom, or may be an alkylamine in which all of R 1 to R 3 are independently alkyl groups having from 6 to 12 carbon atoms. It is more preferable that R 1 to R 3 are all independently alkyl groups having from 6 to 12 carbon atoms so that the amine can be easily separated from water.
R1~R3は、全て異なるアルキル基であってもよいし、R1~R3のうち2つが同じアルキル基であってもよいし、全て同じアルキル基であってもよい。アミンのコスト等の点から、R1~R3は、全て同じアルキル基であることが好ましい。 R 1 to R 3 may all be different alkyl groups, or two of R 1 to R 3 may be the same alkyl group, or all may be the same alkyl group. From the standpoint of the cost of the amine, etc., it is preferable that R 1 to R 3 are all the same alkyl group.
R1~R3の炭素数の合計は、12以上であることが好ましく、16以上であることがより好ましい。R1~R3の炭素数の合計が11以下であると、アミンの水への溶解量が多くなり、ギ酸等の有機酸の抽出量が低下する場合がある。また、操作性等の点から常温常圧で液体であることが好ましいので、R1~R3の炭素数の合計は36以下であることが好ましい。 The total number of carbon atoms in R 1 to R 3 is preferably 12 or more, and more preferably 16 or more. If the total number of carbon atoms in R 1 to R 3 is 11 or less, the amount of amine that dissolves in water increases, which may reduce the amount of organic acid such as formic acid that can be extracted. Furthermore, from the standpoint of operability and the like, it is preferable that the amine is a liquid at room temperature and normal pressure, so the total number of carbon atoms in R 1 to R 3 is preferably 36 or less.
以上の条件を満たすアルキルアミンのうち、1種を単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。 Among the alkylamines that satisfy the above conditions, one may be used alone, or multiple may be used in combination.
用いる2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つの当量は、回収対象であるギ酸を含む水溶液中の有機酸の物質量に対して0.5当量以上10当量以下の範囲であることが好ましい。有機酸の回収率等の点から、用いる2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つの当量は、有機酸の物質量に対して1当量以上であることがより好ましい。必要以上に多量に用いても有機酸の回収に寄与しないため、用いる2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つの当量は、有機酸の物質量に対して5当量以下であることがより好ましく、2当量以下であることがさらに好ましい。 The equivalent amount of at least one of the secondary amines and tertiary amines used is preferably in the range of 0.5 to 10 equivalents relative to the amount of organic acid in the aqueous solution containing formic acid to be recovered. From the standpoint of organic acid recovery rate, etc., it is more preferable that the equivalent amount of at least one of the secondary amines and tertiary amines used is 1 equivalent or more relative to the amount of organic acid. Using a larger amount than necessary will not contribute to the recovery of organic acid, so it is more preferable that the equivalent amount of at least one of the secondary amines and tertiary amines used is 5 equivalents or less relative to the amount of organic acid, and even more preferably 2 equivalents or less.
用いる有機溶媒としては、電解液と相分離することが必要である。よって、水に対する溶解度が低い溶媒が好ましい。また、大きいエネルギーを消費しなくても留去することができるように、沸点が低い溶媒が好ましい。有機酸がギ酸である場合、沸点が101℃であるギ酸との分留を考慮すると、有機溶媒の沸点は、80℃以下であることが好ましく、60℃以下であることがより好ましい。有機溶媒の沸点の下限値は、室温で液体であることが望ましいことから、25℃以上であることが好ましく、35℃以上であることがより好ましい。また、ともに用いるアミンを溶解し、かつ有機酸を含むアミンも溶解することが望ましい。 The organic solvent used must be able to undergo phase separation from the electrolyte. Therefore, a solvent with low solubility in water is preferred. Furthermore, a solvent with a low boiling point is preferred so that it can be distilled off without consuming a large amount of energy. When the organic acid is formic acid, taking into account the fractional distillation with formic acid, which has a boiling point of 101°C, the boiling point of the organic solvent is preferably 80°C or lower, more preferably 60°C or lower. Since it is desirable for the organic solvent to be a liquid at room temperature, the lower limit of the boiling point is preferably 25°C or higher, more preferably 35°C or higher. Furthermore, it is desirable for the organic solvent to dissolve the amine used together and the amine containing the organic acid.
以上のことをふまえ、用いる有機溶媒として、例えば、シクロヘキサン(沸点81℃)、ベンゼン(同81℃)、四塩化炭素(同77℃)、ジエチルエーテル(同35℃)、クロロホルム(同62℃)、酢酸エチル(同77℃)、ジクロロメタン(同40℃)、石油エーテル(同30~60℃)、ヘキサン(同69℃)、ペンタン(同69℃)、メチルエチルケトン(同80℃)、二硫化炭素(同47℃)等が挙げられる。これらのうち、よく水と相分離し、沸点が低いジクロロメタンやジエチルエーテルが好ましい。 Taking the above into consideration, examples of organic solvents that can be used include cyclohexane (boiling point 81°C), benzene (81°C), carbon tetrachloride (77°C), diethyl ether (35°C), chloroform (62°C), ethyl acetate (77°C), dichloromethane (40°C), petroleum ether (30-60°C), hexane (69°C), pentane (69°C), methyl ethyl ketone (80°C), and carbon disulfide (47°C). Of these, dichloromethane and diethyl ether are preferred because they readily separate from water and have low boiling points.
用いる有機溶媒は、上記の中から1種を単独で用いてもよく、複数を組み合わせて用いてもよい。1種類である方が、留去工程での有機溶媒の留去における条件設定が簡便であるため、好ましい。 The organic solvent used may be one of the above, or a combination of two or more. Using one type of organic solvent is preferred, as it simplifies the setting of conditions for distilling off the organic solvent in the distillation step.
用いる有機溶媒の量は、使用するアミンが溶解して均一になるような量であればよく、特に制限はない。必要以上に大量の有機溶媒を用いなくてもよく、また、留去工程で留去するためのエネルギーを鑑みても、できるだけ少量であることが好ましい。用いる有機溶媒の量は、電解液の有機酸の濃度に対して、アミンの濃度が1~100倍の範囲となるように、有機溶媒の量を調節することが好ましい。 There are no particular restrictions on the amount of organic solvent used, as long as it dissolves the amine used and becomes uniform. It is not necessary to use an unnecessarily large amount of organic solvent, and it is preferable to use as little as possible, taking into account the energy required for distillation in the distillation step. It is preferable to adjust the amount of organic solvent used so that the amine concentration is in the range of 1 to 100 times the concentration of the organic acid in the electrolyte solution.
液液抽出装置14は、液体から液体を抽出することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、ミキサーセトラー式抽出装置、塔形式装置、遠心式抽出装置等が挙げられる。塔形式装置としては、段塔、充てん塔、脈動塔、回転円盤式抽出塔等が挙げられる。液液抽出装置は、有機酸が溶解した電解液の体積に対する抽出剤の体積の比率を下げることができる等の点からミキサーセトラー式抽出装置であることが好ましい。ミキサーセトラー式抽出装置は、2液(例えば、水相と油相)を混合するミキサー部と、重力により2液を分離するセトラー部とを備え、連続的に溶媒抽出を行いながら2液に比重分離する装置である。ミキサー部では、抽出時間を短縮することができる等の点からマイクロ流路によりスラグ流を発生させることが好ましい。 The liquid-liquid extractor 14 may be any device capable of extracting a liquid from another liquid, and is not particularly limited. Examples include mixer-settler extractors, tower extractors, and centrifugal extractors. Examples of tower extractors include plate columns, packed columns, pulse columns, and rotating disk extractors. A mixer-settler extractor is preferred because it can reduce the ratio of the volume of the extractant to the volume of the electrolyte in which the organic acid is dissolved. A mixer-settler extractor is equipped with a mixer section that mixes two liquids (e.g., an aqueous phase and an oil phase) and a settler section that separates the two liquids by gravity. It is a device that performs continuous solvent extraction while gravity-separating the two liquids. It is preferred that a slug flow be generated in the mixer section using a microchannel, as this can shorten the extraction time.
電気化学反応セル10は、例えば、図2(a)に示すように、容器内に還元触媒を含む還元反応用電極16と酸化触媒を含む酸化反応用電極18とが離間して対向する位置に配置され、還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間を二酸化炭素等の反応基質を含む電解液が流れる流路42を有する形式であってもよい。または、電気化学反応セル10は、例えば、図2(b)に示すように、容器内に還元触媒を含む還元反応用電極16と酸化触媒を含む酸化反応用電極18とが電解質膜44を挟んで配置され、還元反応用電極16の電解質膜44と接する面の反対側に、二酸化炭素等の反応基質を含む電解液が流れる流路42aを有し、酸化反応用電極18の電解質膜44と接する面の反対側に、電解液が流れる流路42bを有する形式であってもよい。または、電気化学反応セル10は、例えば、図2(c)に示すように、容器内に還元触媒を含む還元反応用電極16と酸化触媒を含む酸化反応用電極18とが離間して対向する位置に配置され、還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間を電解液が流れる流路42を有し、還元反応用電極16の電解液に接する面の反対面を気相に晒して気相から二酸化炭素等の反応基質を供給する形式であってもよい。この際、例えば、図2(d)に示すように、還元反応用電極16の電解液側の面に接して電解質膜44を配置してもよいし、または酸化反応用電極18の電解液側の面に接して、または還元反応用電極16と酸化反応用電極18の間の位置に電解質膜44を配置してもよい。または、例えば、図2(e)に示すように、電気化学反応セル10は、容器内に還元触媒を含む還元反応用電極16と酸化触媒を含む酸化反応用電極18とが電解質膜44を挟んで配置され、還元反応用電極16の電解質膜44と接する面の反対面を気相に晒して気相から二酸化炭素等の反応基質を供給し、酸化反応用電極18の電解質膜44と接する面の反対面に電解液が流れる流路42を有する形式であってもよい。 2(a), the electrochemical reaction cell 10 may be configured, for example, as shown in FIG. 2(a), in which a reduction reaction electrode 16 containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode 18 containing an oxidation catalyst are arranged in opposing positions at a distance within a container, and a flow path 42 is provided between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18, through which an electrolyte solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide flows. Alternatively, the electrochemical reaction cell 10 may be configured, for example, as shown in FIG. 2(b), in which a reduction reaction electrode 16 containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode 18 containing an oxidation catalyst are arranged in a container with an electrolyte membrane 44 sandwiched therebetween, and a flow path 42a is provided on the side of the reduction reaction electrode 16 opposite the surface that contacts the electrolyte membrane 44, through which an electrolyte solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide flows, and a flow path 42b is provided on the side of the oxidation reaction electrode 18 opposite the surface that contacts the electrolyte membrane 44. Alternatively, the electrochemical reaction cell 10 may be configured as shown in Fig. 2(c), in which a reduction reaction electrode 16 containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode 18 containing an oxidation catalyst are disposed in opposing positions at a distance within a container, a flow path 42 is provided through which an electrolyte flows between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18, and the surface of the reduction reaction electrode 16 opposite to the surface in contact with the electrolyte is exposed to a gas phase so that a reaction substrate such as carbon dioxide is supplied from the gas phase. In this case, for example, as shown in Fig. 2(d), an electrolyte membrane 44 may be disposed in contact with the surface of the reduction reaction electrode 16 facing the electrolyte solution, or in contact with the surface of the oxidation reaction electrode 18 facing the electrolyte solution, or between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18. Alternatively, for example, as shown in FIG. 2( e), the electrochemical reaction cell 10 may be configured such that a reduction reaction electrode 16 containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode 18 containing an oxidation catalyst are disposed in a container with an electrolyte membrane 44 sandwiched therebetween, the surface of the reduction reaction electrode 16 opposite to the surface in contact with the electrolyte membrane 44 being exposed to a gas phase so that a reaction substrate such as carbon dioxide is supplied from the gas phase, and a flow path 42 through which the electrolyte solution flows is provided on the surface of the oxidation reaction electrode 18 opposite to the surface in contact with the electrolyte membrane 44.
二酸化炭素等の反応基質を含む電解液を供給する場合、電気化学リアクタ3において、図1に示すように電気化学反応セル10の容器20とタンク12とが分かれた構成となっていてもよいし、容器20とタンク12とが一つの容器となった構成となっていてもよい。 When supplying an electrolyte solution containing a reaction substrate such as carbon dioxide, the electrochemical reactor 3 may be configured such that the container 20 and tank 12 of the electrochemical reaction cell 10 are separate, as shown in Figure 1, or the container 20 and tank 12 may be configured as a single container.
電気化学リアクタ3において、液液抽出装置14は図1に示すように電気化学反応セル10の容器20の電解液出口とタンク12の電解液入口との間にインライン式で設置してもよいし、図3に示すようにタンク12に接続するアウトライン式で設置してもよい。 In the electrochemical reactor 3, the liquid-liquid extraction device 14 may be installed inline between the electrolyte outlet of the container 20 of the electrochemical reaction cell 10 and the electrolyte inlet of the tank 12, as shown in Figure 1, or it may be installed out-of-line and connected to the tank 12, as shown in Figure 3.
図3に示す人工光合成装置2における電気化学リアクタ4において、タンク12の第1電解液出口と電気化学反応セル10の電解液入口とは、ポンプ22を介して電解液供給配管24により接続されている。電気化学反応セル10の電解液出口とタンク12の第1電解液入口とは、循環配管36により接続されている。タンク12の第2電解液出口と液液抽出装置14の電解液入口とは、配管38により接続され、液液抽出装置14の電解液出口とタンク12の第2電解液入口とは、配管40により接続されている。反応基質供給源30の反応基質出口とタンク12の反応基質入口とは、反応基質供給配管32により接続されている。人工光合成装置2において、電気化学リアクタ4の還元反応用電極16および酸化反応用電極18と、太陽電池セル34とは、電気的に接続されている。 In the electrochemical reactor 4 of the artificial photosynthesis device 2 shown in Figure 3, the first electrolyte outlet of the tank 12 and the electrolyte inlet of the electrochemical reaction cell 10 are connected by an electrolyte supply pipe 24 via a pump 22. The electrolyte outlet of the electrochemical reaction cell 10 and the first electrolyte inlet of the tank 12 are connected by a circulation pipe 36. The second electrolyte outlet of the tank 12 and the electrolyte inlet of the liquid-liquid extraction device 14 are connected by a pipe 38, and the electrolyte outlet of the liquid-liquid extraction device 14 and the second electrolyte inlet of the tank 12 are connected by a pipe 40. The reactant outlet of the reactant substrate supply source 30 and the reactant substrate inlet of the tank 12 are connected by a reactant substrate supply pipe 32. In the artificial photosynthesis device 2, the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 of the electrochemical reactor 4 are electrically connected to the solar cell 34.
電気化学リアクタ4において、タンク12には、pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を水等の溶媒に溶解した電解液が収容されている。また、反応基質供給源30から反応基質供給配管32を通して反応基質(例えば、二酸化炭素)がタンク12へ供給され、タンク12内で電解液に反応基質が溶解される。pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方と、反応基質と、が溶解した電解液は、タンク12の電解液出口からポンプ22によって電解液供給配管24を通して電気化学反応セル10の電解液入口から容器20内へ供給され、還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間の流路を通り、容器20の電解液出口から排出される。 In the electrochemical reactor 4, the tank 12 contains an electrolyte solution in which a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both are dissolved in a solvent such as water. A reactant (e.g., carbon dioxide) is supplied to the tank 12 from the reactant supply source 30 through the reactant supply pipe 32, and the reactant is dissolved in the electrolyte solution within the tank 12. The electrolyte solution in which the reactant (a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both) and the reactant are dissolved is supplied by the pump 22 from the electrolyte outlet of the tank 12 through the electrolyte supply pipe 24 and into the container 20 from the electrolyte inlet of the electrochemical reaction cell 10. The electrolyte then passes through the flow path between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 and is discharged from the electrolyte outlet of the container 20.
還元反応用電極16と酸化反応用電極18の間に適切なバイアス電圧を印加すると、酸化反応用電極18においては、酸化反応が生起され、例えば、水(H2O)が酸化されて酸素(1/2O2)が得られるとともに、電子が生成する。還元反応用電極16においては、酸化反応により生成する電子を受け取ることによって、例えば二酸化炭素(CO2)等の反応基質が還元されてギ酸(HCOOH)等の有機酸が生成される(電気化学反応工程)。 When an appropriate bias voltage is applied between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18, an oxidation reaction occurs at the oxidation reaction electrode 18, and for example, water (H 2 O) is oxidized to obtain oxygen (½O 2 ) and electrons are generated. At the reduction reaction electrode 16, by receiving the electrons generated by the oxidation reaction, a reaction substrate such as carbon dioxide (CO 2 ) is reduced to generate an organic acid such as formic acid (HCOOH) (electrochemical reaction process).
電気化学反応セル10の容器20の電解液出口から排出された、反応基質の還元により生じた有機酸が溶け込んだ電解液は、循環配管36を通してタンク12へ循環されてもよい(循環工程)。例えば、ポンプ22、循環配管36等が循環手段として機能することになる。有機酸が溶け込んだ電解液はタンク12の第2電解液出口から配管38を通して液液抽出装置14の電解液入口から液液抽出装置14へ送液される。液液抽出装置14において、電解液から2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒(抽出剤)に有機酸が抽出される(液液抽出工程)。液液抽出装置14の電解液出口から排出された、有機酸が抽出され、有機酸の量が低減した電解液は、配管40を通してタンク12へ送液される。 The electrolyte, which has dissolved therein the organic acid produced by the reduction of the reaction substrate and which is discharged from the electrolyte outlet of the container 20 of the electrochemical reaction cell 10, may be circulated to the tank 12 via the circulation pipe 36 (circulation process). For example, the pump 22, the circulation pipe 36, etc. function as the circulation means. The electrolyte, which has dissolved therein the organic acid, is sent from the second electrolyte outlet of the tank 12 through the pipe 38 to the liquid-liquid extraction device 14 via the electrolyte inlet of the liquid-liquid extraction device 14. In the liquid-liquid extraction device 14, the organic acid is extracted from the electrolyte into an organic solvent (extractant) containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine (liquid-liquid extraction process). The electrolyte, from which the organic acid has been extracted and in which the amount of organic acid has been reduced, which is discharged from the electrolyte outlet of the liquid-liquid extraction device 14, is sent to the tank 12 via the pipe 40.
電気化学リアクタ3において、図1に示すように電解液を電気化学反応セル10の容器20内から排出し、液液抽出装置14による液液抽出処理後にタンク12に循環してもよいし、液液抽出装置14による液液抽出処理後に系外へ排出してもよい。電気化学リアクタ4において、図3に示すように電解液を電気化学反応セル10の容器20内から排出し、タンク12に循環し、さらに液液抽出装置14による液液抽出処理後にタンク12に循環してもよいし、液液抽出装置14による液液抽出処理後に系外へ排出してもよい。電解液を循環することによって、電解液の再利用が容易となる。 In the electrochemical reactor 3, as shown in FIG. 1, the electrolyte may be discharged from the container 20 of the electrochemical reaction cell 10 and circulated to the tank 12 after liquid-liquid extraction treatment by the liquid-liquid extraction device 14, or may be discharged outside the system after liquid-liquid extraction treatment by the liquid-liquid extraction device 14. In the electrochemical reactor 4, as shown in FIG. 3, the electrolyte may be discharged from the container 20 of the electrochemical reaction cell 10 and circulated to the tank 12, and may be further circulated to the tank 12 after liquid-liquid extraction treatment by the liquid-liquid extraction device 14, or may be discharged outside the system after liquid-liquid extraction treatment by the liquid-liquid extraction device 14. Circulating the electrolyte makes it easier to reuse the electrolyte.
(還元反応用電極)
負極(カソード電極)である還元反応用電極16は、還元反応によって物質を還元するために利用される電極である。還元反応用電極16は、例えば、基板上に順に形成される導電層および導電体層を含んで構成される。
(Electrode for reduction reaction)
The reduction reaction electrode 16, which is a negative electrode (cathode electrode), is an electrode used to reduce a substance by a reduction reaction. The reduction reaction electrode 16 includes, for example, a conductive layer and a conductor layer formed in this order on a substrate.
基板は、還元反応用電極を構造的に支持する部材である。基板は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等が挙げられる。基板は、例えば、金属または半導体を含むものとしてもよい。基板として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、例えば、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)、Ti(チタン)等が挙げられる。基板として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta2O5)等が挙げられる。基板を金属または半導体を含むものとした場合、導電層および導電体層と基板との間には絶縁層を形成してもよい。絶縁層は、特に限定されるものではないが、半導体の酸化物、窒化物や樹脂等が挙げられる。金属基板と導電層および導電体層とが電気的に直接接続されている構成としてもよい。基板として金属を用いた場合には、導電層がない構成としてもよい。 The substrate is a member that structurally supports the reduction reaction electrode. The substrate is not particularly limited in material, but examples thereof include a glass substrate. The substrate may include, for example, a metal or a semiconductor. The metal used as the substrate is not particularly limited, but examples thereof include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd), tin (Sn), palladium (Pd), lead (Pb), and titanium (Ti). The semiconductor used as the substrate is not particularly limited, but examples thereof include titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). When the substrate includes a metal or a semiconductor, an insulating layer may be formed between the conductive layer and the substrate. The insulating layer is not particularly limited, but examples thereof include oxides, nitrides, and resins of semiconductors. The metal substrate may be electrically connected directly to the conductive layer and the conductor layer. When a metal substrate is used, the conductive layer may not be present.
基板は、炭素繊維を含むものとしてもよい。基板は、例えば、高温で熱処理された炭素繊維と炭素との複合基材であり、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。カーボンペーパーは、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)繊維等の有機繊維をポリビニルアルコールと水系媒体との分散液に含浸させ、約2000℃で炭化させて結着させたものをシート状にしたものである。カーボンペーパーには、約25質量%程度のテフロン(登録商標)系素材が含まれることもある。カーボンクロスは、有機繊維を焼成、炭化することで得られる炭素繊維を紡織したものである。カーボンペーパー、カーボンクロスは、多孔質体であり、無数の数十μm(10μm~100μm程度)の細孔を有する。カーボンペーパー、カーボンクロスの厚さは、例えば、0.1mm~0.4mm/1枚の範囲である。この複合基材としては、多層化(例えば、5~10層)されて厚みが約10倍になった1mm~4mmの範囲のものを使用してもよい。多層化された複合基材は、例えば、接着剤として、導電性のカーボン素材、例えばグラファイトまたはグラフェンを含むポリマー(例えば、アクリルポリマー結合剤)を含むカーボン系接着剤を用いて複数のカーボンペーパー、カーボンクロス等を接着して積層することにより形成することができる。 The substrate may contain carbon fiber. The substrate may be, for example, a composite substrate of carbon and carbon heat-treated at high temperature, such as carbon paper or carbon cloth. Carbon paper is made by impregnating organic fibers, such as polyacrylonitrile (PAN) fibers, with a dispersion of polyvinyl alcohol and an aqueous medium, carbonizing the fibers at approximately 2000°C, and then forming them into a sheet. Carbon paper may also contain approximately 25% by weight of Teflon®-based materials. Carbon cloth is made by weaving carbon fibers obtained by baking and carbonizing organic fibers. Carbon paper and carbon cloth are porous and contain countless pores measuring several tens of micrometers (approximately 10 μm to 100 μm). The thickness of carbon paper and carbon cloth is, for example, in the range of 0.1 mm to 0.4 mm per sheet. This composite substrate may also be multilayered (e.g., 5 to 10 layers) to a thickness of approximately 10 times, in the range of 1 mm to 4 mm. A multilayered composite substrate can be formed, for example, by laminating multiple sheets of carbon paper, carbon cloth, etc. using a carbon-based adhesive containing a conductive carbon material, such as a polymer containing graphite or graphene (e.g., an acrylic polymer binder).
導電層は、還元反応用電極における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、酸化インジウムスズ(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電層等が挙げられる。特に、熱的および化学的な安定性を考慮すると、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)を用いることが好適である。 The conductive layer is provided to improve current collection at the reduction reaction electrode. The conductive layer is not particularly limited, but examples include transparent conductive layers such as indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and zinc oxide (ZnO). In particular, fluorine-doped tin oxide (FTO) is preferable, considering its thermal and chemical stability.
導電体層は、還元触媒として還元触媒機能を有する材料を含む導電体を含んで構成される。導電体は、カーボン材料(C)を含む材料を含んで構成することができる。カーボン材料の構造体の単体のサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボン材料は、例えば、マルチウォール・カーボンナノチューブ(MWCNTs)等のカーボンナノチューブ、グラフェンおよびグラファイトの少なくとも1つ等が挙げられる。グラフェンおよびグラファイトであればサイズが1nm以上1μm以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が1nm以上40nm以下であることが好適である。導電体は、例えば、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。 The conductor layer is composed of a conductor containing a material that functions as a reduction catalyst. The conductor can be composed of a material containing a carbon material (C). The size of the single unit of the carbon material structure is preferably 1 nm or more and 1 μm or less. Examples of carbon materials include carbon nanotubes such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), graphene, and/or graphite. Graphene and graphite are preferably sized 1 nm or more and 1 μm or less. Carbon nanotubes are preferably sized 1 nm or more and 40 nm or less. The conductor can be formed, for example, by spraying a carbon material mixed with a liquid such as ethanol and then heating it. Spin coating may be used instead of spraying. Alternatively, the solution may be directly dripped and dried before application without using spin coating.
還元触媒機能を有する材料として、錯体触媒等を用いることができる。錯体触媒は、例えば、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)(MeCN)Cl2]、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)2Cl2]、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)2]n、[Ru{4,4’-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2’-bipyridine}(CO)(CH3CN)Cl2]等が挙げられる。さらに、ルテニウム錯体は、Ru錯体モノマーと重合開始剤(例えばピロールおよび酸化剤(例えば塩化鉄等のFe系酸化剤))を含むRu錯体が高分子化(ポリマー)された状態のRu錯体ポリマーであってもよい。還元反応用電極は、例えば、カーボン系材料(マルチウォール・カーボンナノチューブ(MWCNTs)等のカーボンナノチューブおよびグラファイト)を含み、還元触媒としてRu錯体ポリマーと、Fe系酸化剤(FeCl3)とを含む電極である。 As the material having a reduction catalytic function, a complex catalyst can be used, etc. The complex catalyst is preferably, for example, a ruthenium complex. Examples of the complex catalyst include [Ru{4,4'-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO)(MeCN)Cl 2 ], [Ru{4,4'-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO) 2 Cl 2 ], [Ru{4,4'-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO) 2 ] n , [Ru{4,4'-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO)(CH 3 CN)Cl 2 ]. Furthermore, the ruthenium complex may be a Ru complex polymer in which a Ru complex containing a Ru complex monomer and a polymerization initiator (for example, pyrrole and an oxidizing agent (for example, an Fe-based oxidizing agent such as iron chloride) is polymerized. The reduction reaction electrode is, for example, an electrode containing a carbon-based material (carbon nanotubes such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphite), a Ru complex polymer as a reduction catalyst, and an Fe-based oxidizing agent (FeCl 3 ).
還元触媒の担持は、例えば、金属錯体(触媒)をアセトニトリル(MeCN)溶液に溶解した液をカーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン系材料の上に塗布、乾燥することで作製することができる。例えば、Ru錯体ポリマーの担持は、例えば、Ru錯体モノマー、重合開始剤(例えばピロールおよび酸化剤(例えば塩化鉄等のFe系酸化剤))をアセトニトリル(MeCN)等の溶媒に溶解した液(Ru錯体ポリマー溶液)をカーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン系材料の上に塗布、乾燥することで作製することができる。また、還元触媒の担持は、電解重合法により行うこともできる。例えば、作用極としてカーボン系材料の電極、対極にフッ素含有酸化スズ(FTO)で被覆したガラス基板、参照電極にAg/Ag+電極を用い、還元触媒を含む電解液中においてAg/Ag+電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ag/Ag+電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことによりカーボン系材料に還元触媒で担持することができる。電解質の溶液には、例えば、アセトニトリル(MeCN)、電解質には、例えば、Tetrabutylammoniumperchlorate(TBAP)を用いることができる。 The reduction catalyst can be supported, for example, by dissolving a metal complex (catalyst) in an acetonitrile (MeCN) solution and applying the solution to a carbon-based material such as carbon paper or carbon cloth, followed by drying. For example, a Ru complex polymer can be supported by applying a solution (Ru complex polymer solution) prepared by dissolving a Ru complex monomer, a polymerization initiator (e.g., pyrrole, and an oxidant (e.g., an Fe-based oxidant such as iron chloride)) in a solvent such as acetonitrile (MeCN) to a carbon-based material such as carbon paper or carbon cloth, followed by drying. The reduction catalyst can also be supported by electropolymerization. For example, a carbon-based material electrode is used as the working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) is used as the counter electrode, and an Ag/Ag + electrode is used as the reference electrode. In an electrolyte containing the reduction catalyst, a cathode current is applied so that the potential is negative relative to the Ag/Ag + electrode, and then an anode current is applied so that the potential is positive relative to the Ag/Ag + electrode. This allows the reduction catalyst to be supported on the carbon-based material. For example, acetonitrile (MeCN) can be used as the electrolyte solution, and tetrabutylammonium perchlorate (TBAP) can be used as the electrolyte.
(酸化反応用電極)
正極(アノード電極)である酸化反応用電極18は、酸化反応によって物質を酸化するために利用される電極である。酸化反応用電極18は、例えば、基板上に導電層が形成された基材とその上に形成された酸化触媒層とを含んで構成される。
(Oxidation reaction electrode)
The oxidation reaction electrode 18, which is a positive electrode (anode electrode), is an electrode used to oxidize a substance through an oxidation reaction. The oxidation reaction electrode 18 includes, for example, a base material having a conductive layer formed on a substrate and an oxidation catalyst layer formed thereon.
基板は、酸化反応用電極を構造的に支持する部材である。基板は、特に材料が限定されるものではないが、例えば、ガラス基板等が挙げられる。基板は、例えば、金属または半導体を含むものとしてもよい。基板として用いられる金属は、特に限定されるものではないが、例えば、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、インジウム(In)、カドミウム(Cd)、スズ(Sn)、パラジウム(Pd)、鉛(Pb)、チタン(Ti)等が挙げられる。基板として用いられる半導体は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化チタン(TiO2)、酸化スズ(SnO2)、シリコン(Si)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化タンタル(Ta2O5)等が挙げられる。基板を金属または半導体を含むものとした場合、導電層と基板との間には絶縁層を形成してもよい。絶縁層は、特に限定されるものではないが、半導体の酸化物、窒化物や樹脂等が挙げられる。金属基板と導電体層とが電気的に直接接続されている構成としてもよい。酸化反応用電極18を、透光性を有するようにするには、基板は、例えば、ガラス基板やプラスチック等とすることが好適である。基板として金属を用いた場合には、導電層がない構成としてもよい。基板として、炭素繊維と炭素との複合基材を用いてもよい。これによって、軽量、高導電性の確保ができ、別途、導電層が不要になるという利点がある。 The substrate is a member that structurally supports the oxidation reaction electrode. The substrate is not particularly limited in material, but examples thereof include a glass substrate. The substrate may include, for example, a metal or a semiconductor. The metal used as the substrate is not particularly limited, but examples thereof include silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), zinc (Zn), indium (In), cadmium (Cd), tin (Sn), palladium (Pd), lead (Pb), and titanium (Ti). The semiconductor used as the substrate is not particularly limited, but examples thereof include titanium oxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), silicon (Si), strontium titanate (SrTiO 3 ), zinc oxide (ZnO), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ). When the substrate includes a metal or a semiconductor, an insulating layer may be formed between the conductive layer and the substrate. The insulating layer is not particularly limited, but examples thereof include semiconductor oxides, nitrides, and resins. The metal substrate and the conductive layer may be electrically connected directly. In order to make the oxidation reaction electrode 18 translucent, it is preferable that the substrate is made of, for example, a glass substrate or plastic. When a metal substrate is used, the conductive layer may not be included. A composite substrate of carbon fiber and carbon may also be used as the substrate. This has the advantages of ensuring light weight and high conductivity and eliminating the need for a separate conductive layer.
導電層は、酸化反応用電極18における集電を効果的にするために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明導電層等が挙げられる。特に、熱的および化学的な安定性を考慮すると、フッ素ドープ酸化錫(FTO)を用いることが好適である。 The conductive layer is provided to improve the effectiveness of current collection at the oxidation reaction electrode 18. The conductive layer is not particularly limited, but examples include transparent conductive layers such as indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and zinc oxide (ZnO). In particular, fluorine-doped tin oxide (FTO) is preferable, considering its thermal and chemical stability.
酸化触媒層は、酸化触媒として、酸化触媒機能を有する材料を含んで構成される。酸化触媒機能を有する材料としては、例えば、酸化イリジウム(IrOx)を含む材料等が挙げられる。酸化イリジウムは、ナノコロイド溶液として導電層の表面上に担持することができる(T. Arai et.al, Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)参照)。 The oxidation catalyst layer contains a material with oxidation catalytic function as an oxidation catalyst. Examples of materials with oxidation catalytic function include materials containing iridium oxide (IrOx). Iridium oxide can be supported on the surface of the conductive layer as a nanocolloidal solution (see T. Arai et al., Energy Environ. Sci 8, 1998 (2015)).
例えば、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイドを合成する。次に、2mMの塩化イリジウム酸(IV)カリウム(K2IrCl6)水溶液50mLに10wt%の水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を加えてpH13に調整した黄色溶液を、ホットスターラを用いて90℃で20分加熱する。これによって得られた青色溶液を氷水で1時間冷却する。そして、冷やした溶液(20mL)に3M硝酸(HNO3)を滴下してpH1に調整し、80分撹拌し、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を得る。さらに、この溶液に1.5wt%NaOH水溶液(1-2mL)を滴下してpH12に調整する。このようにして得られた酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を、導電層上にpH12で塗布し、乾燥炉内において60℃で40分間保持して乾燥させる。乾燥後、析出した塩を超純水で洗浄し、酸化反応用電極18を形成することができる。なお、酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液の塗布および乾燥を複数回繰り返してもよい。 For example, nanocolloids of iridium oxide (IrOx) are synthesized. Next, a yellow solution is prepared by adding 10 wt% aqueous sodium hydroxide (NaOH) to 50 mL of a 2 mM aqueous solution of potassium chloroiridate (IV) (K 2 IrCl 6 ) to adjust the pH to 13. The resulting yellow solution is heated at 90°C for 20 minutes using a hot stirrer. The resulting blue solution is then cooled in ice water for 1 hour. 3M nitric acid (HNO 3 ) is then added dropwise to the cooled solution (20 mL) to adjust the pH to 1, and the solution is stirred for 80 minutes to obtain an aqueous nanocolloid of iridium oxide (IrOx). Furthermore, 1-2 mL of a 1.5 wt% aqueous NaOH solution is added dropwise to this solution to adjust the pH to 12. The resulting nanocolloid of iridium oxide (IrOx) solution is applied to a conductive layer at pH 12 and dried in a drying oven at 60°C for 40 minutes. After drying, the precipitated salt is washed with ultrapure water to form the oxidation reaction electrode 18. The application and drying of the nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) may be repeated multiple times.
なお、酸化反応用電極18において基材として、炭素繊維と炭素との複合基材を用いる場合には、例えば、酸化触媒として酸化イリジウム(IrOx)のナノコロイド水溶液を用いて、マルチウォール・カーボンナノチューブ(MWCNTs)等のカーボンナノチューブ等のカーボン素材を含んでもよいカーボンペーパー等の炭素繊維と炭素との複合基材に酸化触媒を担持して、そのシートを、カーボンペーパー等の炭素繊維と炭素との複合基材にカーボン系接着剤で接合したものを用いてもよい。 When a composite substrate of carbon fiber and carbon is used as the substrate for the oxidation reaction electrode 18, for example, a nanocolloidal aqueous solution of iridium oxide (IrOx) may be used as the oxidation catalyst. The oxidation catalyst may be supported on a composite substrate of carbon fiber and carbon, such as carbon paper, which may contain carbon materials such as carbon nanotubes, including multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), and the resulting sheet may be bonded to the composite substrate of carbon fiber and carbon, such as carbon paper, with a carbon-based adhesive.
集電配線を、酸化反応用電極18における集電の効果を高めるために設けてもよい。すなわち、酸化反応用電極18を大面積化した場合、導電層のみでは酸化反応用電極18の全面において十分な反応を促進させるための導電性を確保できなくなるので、酸化反応用電極18の導電性を高めるために設けられる。集電配線は、例えば、間隔を置いて櫛形状に配置された線状のフィンガー電極と、フィンガー電極をさらに集電するためのバス電極とを組み合わせた構成とすることができる。集電配線は、導電部、第1シール部および第2シール部から構成することが好適である。導電部は、導電性の高い材料で構成され、金属を含む材料で構成することが好適である。例えば、銀(Ag)、銅(Cu)等を含む材料で構成することが好適である。また、第1シール部および第2シール部は、導電部を化学的および機械的に保護するために少なくとも導電部の一部を被覆するように設けられる。第1シール部は、低融点のガラスコート材とすることができる。また、第2シール部は、シリコーンゴム(脱オキシムタイプ、低分子シロキサン低減材、耐油・耐溶剤フロロシリコーン等)、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、メタクリル(アクリル)、ポリカーボネート、フッ素樹脂(テフロン(登録商標))、エポキシ樹脂等の樹脂とすることができる。 Current collecting wiring may be provided to enhance the current collection effect of the oxidation reaction electrode 18. In other words, when the oxidation reaction electrode 18 is enlarged, a conductive layer alone cannot ensure sufficient conductivity across the entire surface of the oxidation reaction electrode 18 to promote the reaction. Therefore, current collecting wiring is provided to enhance the conductivity of the oxidation reaction electrode 18. The current collecting wiring can be configured, for example, by combining linear finger electrodes arranged at intervals in a comb-like pattern with bus electrodes for further current collection from the finger electrodes. The current collecting wiring is preferably composed of a conductive portion, a first sealing portion, and a second sealing portion. The conductive portion is preferably composed of a highly conductive material, preferably a material containing metal. For example, it is preferably composed of a material containing silver (Ag), copper (Cu), or the like. Furthermore, the first sealing portion and the second sealing portion are provided to cover at least a portion of the conductive portion to chemically and mechanically protect it. The first sealing portion can be made of a low-melting-point glass coating material. The second seal can be made of resins such as silicone rubber (oxime-free type, low-molecular-weight siloxane-reducing material, oil-resistant and solvent-resistant fluorosilicone, etc.), polyisobutylene, polypropylene, methacrylate (acrylic), polycarbonate, fluororesin (Teflon (registered trademark)), and epoxy resin.
還元反応用電極16および酸化反応用電極18は、それぞれ単層構成であってもよいし、還元反応用電極16および酸化反応用電極18は、それぞれ複数の電極が積層化(スタック化)された構成としてもよい。還元反応用電極16のみが積層化(スタック化)された構成でもよいし、酸化反応用電極18のみが積層化(スタック化)された構成でもよい。人工光合成装置とする場合には、還元反応用電極16および酸化反応用電極18がそれぞれ複数の電極が積層化(スタック化)された構成とすることが好ましい。 The reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 may each have a single-layer configuration, or the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 may each have a configuration in which multiple electrodes are layered (stacked). Only the reduction reaction electrode 16 may be layered (stacked), or only the oxidation reaction electrode 18 may be layered (stacked). When used as an artificial photosynthesis device, it is preferable that the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 each have a configuration in which multiple electrodes are layered (stacked).
容器20は、還元反応用電極16および酸化反応用電極18を支持するとともに、電解液が流れる流路を構成する部材である。容器20は、電気化学反応セル10を構成するために必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、容器20は、金属、プラスチック等によって構成することができる。 The container 20 is a component that supports the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 and forms a flow path through which the electrolyte flows. The container 20 is made of a material that has the mechanical strength necessary to form the electrochemical reaction cell 10. For example, the container 20 can be made of metal, plastic, etc.
還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間に、液体と気体を分離し、プロトンを移動可能とするセパレータ(例えば、図2(b),(d),(e)のような電解質膜44)を設けてもよい。セパレータは、液体と気体を分離し、プロトンを移動可能とする材料のものであればよく、特に制限はないが、例えば、固体高分子電解膜であるナフィオン(登録商標)等を使用することができる。 A separator (e.g., an electrolyte membrane 44 as shown in Figures 2(b), (d), and (e)) that separates liquid and gas and allows protons to move may be provided between the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18. The separator may be made of any material that separates liquid and gas and allows protons to move, and is not particularly limited; for example, Nafion (registered trademark), a solid polymer electrolyte membrane, can be used.
タンク12は、電解液を収容するタンクであり、例えば、金属、プラスチック等によって構成することができる。 Tank 12 is a tank that contains electrolyte and can be made of, for example, metal, plastic, etc.
反応基質供給源30は、反応基質を供給することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、二酸化炭素ボンベ等の反応基質ボンベ等である。 The reaction substrate supply source 30 is not particularly limited as long as it can supply a reaction substrate, but it can be, for example, a reaction substrate cylinder such as a carbon dioxide cylinder.
還元反応用電極16と酸化反応用電極18との間を電気的に接続し、適切なバイアス電圧を印加した状態とする。バイアス電圧を印加する手段は、特に限定されるものではなく、化学電池(一次電池、二次電池等を含む)、定電圧源、太陽電池セル等が挙げられる。このとき、酸化反応用電極18に正極が接続され、還元反応用電極16に負極が接続される。 The reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18 are electrically connected, and an appropriate bias voltage is applied. The means for applying the bias voltage is not particularly limited, and examples include chemical batteries (including primary batteries, secondary batteries, etc.), constant voltage sources, and solar cells. At this time, the positive electrode is connected to the oxidation reaction electrode 18, and the negative electrode is connected to the reduction reaction electrode 16.
図1、図3のように、バイアス電圧を印加する手段として太陽電池セル34を用いることにより、二酸化炭素還元装置等の電気化学リアクタ3または4と、還元反応用電極16および酸化反応用電極18に供給される電力を生成する太陽電池セル34と、を備える人工光合成装置1または2とすることができる。バイアス電圧を印加する手段として太陽電池セル34を用いる場合、太陽電池セル34は、例えば、還元反応用電極16または酸化反応用電極18に隣接して配置することができる。例えば、還元反応用電極16の背面に太陽電池セル34を配置し、太陽電池セル34の正極を酸化反応用電極18に接続し、負極を還元反応用電極16に接続すればよい。 As shown in Figures 1 and 3, by using a solar cell 34 as a means for applying a bias voltage, an artificial photosynthesis device 1 or 2 can be created that includes an electrochemical reactor 3 or 4, such as a carbon dioxide reduction device, and a solar cell 34 that generates power to be supplied to the reduction reaction electrode 16 and the oxidation reaction electrode 18. When using a solar cell 34 as a means for applying a bias voltage, the solar cell 34 can be placed adjacent to the reduction reaction electrode 16 or the oxidation reaction electrode 18, for example. For example, the solar cell 34 can be placed on the back of the reduction reaction electrode 16, with the positive electrode of the solar cell 34 connected to the oxidation reaction electrode 18 and the negative electrode connected to the reduction reaction electrode 16.
二酸化炭素(CO2)からギ酸(HCOOH)等を合成する場合、水(H2O)は酸化されて二酸化炭素(CO2)に電子とプロトンを供給する。pH7付近では水(H2O)の酸化電位は0.82V、還元電位は-0.41V(いずれも標準水素電極(NHE))である。また、二酸化炭素(CO2)から一酸化炭素(CO)、ギ酸(HCOOH)、メチルアルコール(CH3OH)への還元電位はそれぞれ-0.53V,-0.61V,-0.38Vである。したがって、酸化電位と還元電位の電位差は1.20~1.43Vである。炭素化合物である二酸化炭素(CO2)を還元する場合、太陽電池セルは、例えば4~6枚の結晶系シリコン太陽電池を直接に接続した構成やアモルファスシリコン系3接合太陽電池とすることが好適である。 When synthesizing formic acid (HCOOH) from carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O) is oxidized to supply electrons and protons to carbon dioxide (CO 2 ). At a pH of around 7, the oxidation potential of water (H 2 O) is 0.82 V and the reduction potential is −0.41 V (both at the normal hydrogen electrode (NHE)). The reduction potentials of carbon dioxide (CO 2 ) to carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), and methyl alcohol (CH 3 OH) are −0.53 V, −0.61 V, and −0.38 V, respectively. Therefore, the potential difference between the oxidation potential and the reduction potential is 1.20 to 1.43 V. When reducing carbon dioxide (CO 2 ), a carbon compound, it is preferable to use a solar cell configured, for example, by connecting four to six crystalline silicon solar cells in series or an amorphous silicon triple-junction solar cell.
太陽電池セルに対しては、受光面側に窓材設けることが好適である。窓材は、太陽電池セルを保護する部材である。窓材は、太陽電池セルにおいて発電に寄与する波長の光を透過する部材とし、例えば、ガラス、プラスチック等とすることができる。 It is preferable to provide a window material on the light-receiving side of the solar cell. The window material is a member that protects the solar cell. The window material is a member that transmits light of the wavelengths that contribute to power generation in the solar cell, and can be, for example, glass, plastic, etc.
本明細書は、以下の実施形態を含む。
[1]容器内に還元触媒を含む還元反応用電極と酸化触媒を含む酸化反応用電極とが配置され、反応基質を還元して有機酸を生成する電気化学反応セルと、
pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を溶解した電解液を入れるタンクと、
前記タンクから前記容器に前記電解液を供給する電解液供給手段と、
前記容器内から排出された、前記反応基質の還元により生じた前記有機酸が溶け込んだ電解液から、2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒に前記有機酸を抽出する液液抽出装置と、
を備える、電気化学リアクタ。
The present specification includes the following embodiments.
[1] An electrochemical reaction cell in which a reduction reaction electrode containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode containing an oxidation catalyst are disposed in a container, and which reduces a reaction substrate to produce an organic acid;
a tank for holding an electrolyte solution containing a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both;
an electrolyte supply means for supplying the electrolyte from the tank to the container;
a liquid-liquid extraction device that extracts the organic acid from the electrolytic solution discharged from the container and having the organic acid dissolved therein, the organic acid being produced by the reduction of the reaction substrate, into an organic solvent containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine;
An electrochemical reactor comprising:
[2][1]に記載の電気化学リアクタであって、
前記有機酸は、ギ酸、酢酸、およびプロピオン酸のうちの少なくとも1つである、電気化学リアクタ。
[2] The electrochemical reactor according to [1],
The organic acid is at least one of formic acid, acetic acid, and propionic acid.
[3][1]または[2]に記載の電気化学リアクタであって、
前記pkaが6~8の塩は、リン酸二水素カリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素リチウム、リン酸二水素カルシウム、リン酸二水素マグネシウム、リン酸二水素セシウム、リン酸二水素ルビジウム、炭酸水素マグネシウム、塩化マグネシウム、塩化セシウム、塩化ルビジウム、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウム、硝酸セシウム、硝酸ルビジウム、チオシアン酸カリウム、チオシアン酸ナトリウム、チオシアン酸リチウム、チオシアン酸マグネシウム、チオシアン酸セシウム、およびチオシアン酸ルビジウムのうちの少なくとも1つである、電気化学リアクタ。
[3] The electrochemical reactor according to [1] or [2],
the salt having a pKa of 6 to 8 is at least one of potassium dihydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, lithium dihydrogen phosphate, calcium dihydrogen phosphate, magnesium dihydrogen phosphate, cesium dihydrogen phosphate, rubidium dihydrogen phosphate, magnesium bicarbonate, magnesium chloride, cesium chloride, rubidium chloride, magnesium nitrate, calcium nitrate, cesium nitrate, rubidium nitrate, potassium thiocyanate, sodium thiocyanate, lithium thiocyanate, magnesium thiocyanate, cesium thiocyanate, and rubidium thiocyanate.
[4][1]から[3]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタであって、
前記中性の塩は、硫酸カリウム、硫酸ナトリウム、硫酸リチウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウム、臭化リチウム、臭化マグネシウム、ヨウ化カリウム、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化リチウム、硝酸カリウム、硝酸ナトリウム、硝酸リチウム、過塩素酸カリウム、過塩素酸ナトリウム、および過塩素酸リチウムのうちの少なくとも1つである、電気化学リアクタ。
[4] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [3],
the neutral salt is at least one of potassium sulfate, sodium sulfate, lithium sulfate, magnesium sulfate, calcium sulfate, potassium chloride, sodium chloride, lithium chloride, potassium bromide, sodium bromide, lithium bromide, magnesium bromide, potassium iodide, sodium iodide, lithium iodide, potassium nitrate, sodium nitrate, lithium nitrate, potassium perchlorate, sodium perchlorate, and lithium perchlorate.
[5][1]から[4]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタであって、
前記2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つは、下記式(1)で示されるアルキルアミンである、電気化学リアクタ。
R1R2R3N (1)
(式(1)において、R1,R2,R3のうち少なくとも2つは、独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であり、残りは水素原子を示す。)
[5] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [4],
At least one of the secondary amine and the tertiary amine is an alkylamine represented by the following formula (1):
R 1 R 2 R 3 N (1)
(In formula (1), at least two of R 1 , R 2 , and R 3 are independently an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, and the rest are hydrogen atoms.)
[6][1]から[5]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタであって、
前記液液抽出装置は、ミキサーセトラー式抽出装置、塔形式装置、および遠心式抽出装置の少なくとも1つである、電気化学リアクタ。
[6] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [5],
The electrochemical reactor, wherein the liquid-liquid extractor is at least one of a mixer-settler extractor, a column extractor, and a centrifugal extractor.
[7][1]から[6]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタであって、
前記反応基質は、二酸化炭素であり、前記反応基質の還元により生じた前記有機酸は、ギ酸である、電気化学リアクタ。
[7] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [6],
The electrochemical reactor, wherein the reaction substrate is carbon dioxide, and the organic acid produced by reduction of the reaction substrate is formic acid.
[8][1]から[7]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタであって、
前記還元触媒は、ルテニウム錯体ポリマーであり、前記酸化触媒は、酸化イリジウムである、電気化学リアクタ。
[8] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [7],
The electrochemical reactor, wherein the reduction catalyst is a ruthenium complex polymer and the oxidation catalyst is iridium oxide.
[9][1]から[8]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタであって、
前記電解液を前記電気化学反応セルの前記容器内から排出後、前記タンクに循環する循環手段をさらに備える、電気化学リアクタ。
[9] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [8],
The electrochemical reactor further comprises a circulation means for circulating the electrolytic solution to the tank after the electrolytic solution is discharged from the container of the electrochemical reaction cell.
[10][1]から[9]のいずれか1つに記載の電気化学リアクタと、
前記酸化反応用電極および前記還元反応用電極に供給される電力を生成する太陽電池セルと、
を備える、人工光合成装置。
[10] The electrochemical reactor according to any one of [1] to [9];
a solar cell that generates power to be supplied to the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode;
An artificial photosynthesis device comprising:
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
1.実験1
1.1. 各種水溶液の調製
下記の通りにして、水溶液1~水溶液5をそれぞれ調製した。
1. Experiment 1
1.1. Preparation of Various Aqueous Solutions Aqueous solutions 1 to 5 were prepared as follows.
(参考例)水溶液1:ギ酸(0.76mL、20mmol)を純水(200mL)に溶解した。
(比較例)水溶液2:リン酸二水素カリウム(pka=7.2、5.44g、40mmol)、およびリン酸水素二カリウム(pka=12.35、6.97g、40mmol)を水(200mL)に添加し、ギ酸(0.76mL、20mmol)を溶解して調製した。
(参考例)水溶液3:ギ酸カリウム(1.68g、20mmol)を水(200mL)に添加して0.10mol/Lの溶液を得た。
(参考例)水溶液4:リン酸二水素カリウム(10.89g、80mmol)を水(200mL)に溶解した。
(参考例)水溶液5:リン酸水素二カリウム(13.93g、80mmol)を水(200mL)に添加して水溶液5を調製した。
(Reference Example) Aqueous solution 1: Formic acid (0.76 mL, 20 mmol) was dissolved in pure water (200 mL).
(Comparative) Aqueous solution 2: This solution was prepared by adding potassium dihydrogen phosphate (pKa=7.2, 5.44 g, 40 mmol) and dipotassium hydrogen phosphate (pKa=12.35, 6.97 g, 40 mmol) to water (200 mL) and dissolving formic acid (0.76 mL, 20 mmol).
(Reference Example) Aqueous solution 3: Potassium formate (1.68 g, 20 mmol) was added to water (200 mL) to obtain a 0.10 mol/L solution.
(Reference Example) Aqueous solution 4: Potassium dihydrogen phosphate (10.89 g, 80 mmol) was dissolved in water (200 mL).
(Reference Example) Aqueous solution 5: Aqueous solution 5 was prepared by adding dipotassium hydrogen phosphate (13.93 g, 80 mmol) to water (200 mL).
各種水溶液の種類と濃度を表1に示す。 The types and concentrations of various aqueous solutions are shown in Table 1.
1.2. 各種水溶液を用いたNMR試料の作製
下記の通りにして、水溶液1~水溶液5を用いたNMR試料をそれぞれ調製した。
1.2. Preparation of NMR Samples Using Various Aqueous Solutions NMR samples were prepared using Aqueous Solutions 1 to 5, respectively, as follows.
(1)水溶液1(20mL)にジクロロメタン(DCM、10mL)とトリオクチルアミン(1.75mL、4.0mmol)を加え、分液漏斗で撹拌した。
(2)静置後、有機層を分取してエバポレーターでジクロロメタンを留去(200torr、40℃)した。
(3)重水素化クロロホルム(CDCl3、5mL)に1,2-ジクロロエタン(DCE、10μL)を添加した溶液1mLに、(2)から0.25mLを添加し、さらにCDCl3を添加して2.00mLとした。
(4)(3)の一部をNMR試料管にとり、1H-NMRを測定した。
(1) Dichloromethane (DCM, 10 mL) and trioctylamine (1.75 mL, 4.0 mmol) were added to aqueous solution 1 (20 mL), and the mixture was stirred in a separatory funnel.
(2) After standing, the organic layer was separated and dichloromethane was removed using an evaporator (200 torr, 40° C.).
(3) To 1 mL of a solution of deuterated chloroform (CDCl 3 , 5 mL) and 1,2-dichloroethane (DCE, 10 μL) was added 0.25 mL of (2), and CDCl 3 was further added to bring the total volume to 2.00 mL.
(4) A portion of (3) was placed in an NMR sample tube and subjected to 1 H-NMR measurement.
水溶液1の代わりに水溶液2~5を用いた場合について、同様に(1)~(4)の手順を行った。なお、塩を形成していないトリオクチルアミンの状態との比較をするため、純水のみ(20mL)を用いた場合についても同様の抽出操作を行った。 Steps (1) to (4) were similarly performed using aqueous solutions 2 to 5 instead of aqueous solution 1. To compare with the state of trioctylamine without forming a salt, the same extraction procedure was also performed using pure water only (20 mL).
1.3. 1H-NMR測定
1H-NMRの測定は、日本電子株式会社のJNM-ECX-400Pを使用して行った。化学シフトはδ値(ppm)で示し、CDCl3の試薬に内部標準として含まれる0.03%(v/v)のテトラメチルシラン(TMS)の値を0.00ppmとした。積分値はDCEの値を1.00とした。
1.3. 1H -NMR measurement
1H -NMR measurements were performed using a JNM-ECX-400P JEOL Ltd. Chemical shifts are shown in δ values (ppm), with the value of 0.03% (v/v) tetramethylsilane (TMS) contained as an internal standard in the CDCl 3 reagent set at 0.00 ppm. The integral value of DCE was set at 1.00.
1.4 結果1
図4に、トリオクチルアミンの1H-NMRスペクトルを示し、図5に、水溶液1または水溶液2を用いてギ酸を抽出した場合の1H-NMRスペクトルを示す。表2に、水溶液1または水溶液2を用いた場合のギ酸抽出率(%)を示す。図6に、水溶液3~水溶液5を用いて抽出プロセスを行った場合の1H-NMRスペクトルを示す。なお、ギ酸抽出率(%)は、DCM層残渣中のギ酸量を抽出前の水溶液に含まれるギ酸量で割ることで求めた。DCM層残渣中のギ酸量は、DCEに対するギ酸の相対積分値から、DCM層残渣中のギ酸の濃度を決定し、DCM層残渣の体積から求めた。
1.4 Result 1
FIG. 4 shows the 1 H-NMR spectrum of trioctylamine, and FIG. 5 shows the 1 H-NMR spectrum when formic acid is extracted using Aqueous Solution 1 or Aqueous Solution 2. Table 2 shows the formic acid extraction rate (%) when Aqueous Solution 1 or Aqueous Solution 2 is used. FIG. 6 shows the 1 H-NMR spectra when the extraction process is performed using Aqueous Solutions 3 to 5. The formic acid extraction rate (%) was calculated by dividing the amount of formic acid in the DCM layer residue by the amount of formic acid contained in the aqueous solution before extraction. The amount of formic acid in the DCM layer residue was determined from the relative integral value of formic acid relative to DCE, and then calculated from the volume of the DCM layer residue.
水溶液1(純水に溶解したギ酸)に比べて、水溶液2(標準電解液)に溶解したギ酸の抽出率は大幅に低下した(図4、図5、表2参照)。トリオクチルアミンはギ酸カリウムまたはリン酸カリウム塩(リン酸二水素カリウムまたはリン酸水素二カリウム)と錯塩をほとんど形成しないことから(図6参照)、緩衝作用により水溶液2に溶解したギ酸の多くがギ酸カリウムとなることによって、ギ酸抽出率が大幅に低下したと考えられる。 Compared to Aqueous Solution 1 (formic acid dissolved in pure water), the extraction rate of formic acid dissolved in Aqueous Solution 2 (standard electrolyte) was significantly lower (see Figures 4, 5, and Table 2). Because trioctylamine hardly forms a complex salt with potassium formate or potassium phosphate salts (potassium dihydrogen phosphate or dipotassium hydrogen phosphate) (see Figure 6), it is thought that much of the formic acid dissolved in Aqueous Solution 2 becomes potassium formate due to the buffering effect, which is why the extraction rate of formic acid was significantly lower.
2.実験2
2.1. 各種水溶液の調製
下記の通りにして、水溶液6~水溶液8をそれぞれ調製した。
2. Experiment 2
2.1. Preparation of Various Aqueous Solutions Aqueous solutions 6 to 8 were prepared as follows.
(実施例)水溶液6:pkaが6~8の塩としてリン酸二水素カリウム(10.88g、80mmol)を水(200mL)に添加し、ギ酸(0.15mL、4mmol)を溶解して調製した。
(実施例)水溶液7:中性の塩として硫酸カリウム(pH=6.6、13.94g、80mmol)を水(200mL)に添加し、ギ酸(0.15mL、4mmol)を溶解して調製した。
(比較例)水溶液8:リン酸二水素カリウム(5.44g、40mmol)、およびリン酸水素二カリウム(6.97g、40mmol)を水(200mL)に添加し、ギ酸(0.15mL、4mmol)を溶解して調製した。
(Example) Aqueous solution 6: This was prepared by adding potassium dihydrogen phosphate (10.88 g, 80 mmol) as a salt with a pKa of 6 to 8 to water (200 mL) and dissolving formic acid (0.15 mL, 4 mmol).
(Example) Aqueous solution 7: This was prepared by adding potassium sulfate (pH=6.6, 13.94 g, 80 mmol) as a neutral salt to water (200 mL) and dissolving formic acid (0.15 mL, 4 mmol).
(Comparative Example) Aqueous solution 8: This was prepared by adding potassium dihydrogen phosphate (5.44 g, 40 mmol) and dipotassium hydrogen phosphate (6.97 g, 40 mmol) to water (200 mL) and dissolving formic acid (0.15 mL, 4 mmol).
各種水溶液の種類と濃度を表3に示す。 The types and concentrations of various aqueous solutions are shown in Table 3.
抽出剤1~3:3級アミンとしてトリオクチルアミン(1.75mL、4.0mmol)を有機溶媒としてジクロロメタン(DCM、30mL)に溶解した。 Extractants 1-3: Trioctylamine (1.75 mL, 4.0 mmol) as a tertiary amine was dissolved in dichloromethane (DCM, 30 mL) as an organic solvent.
2.2. 3連ミキサーセトラーの構成、およびギ酸抽出プロセス
3連ミキサーセトラーの実験構成を図7に示す。水溶液、および抽出剤1~3の送液ポンプ4台はタクミナ社製のスムーズフローポンプ(Q-100-TT-P-S)を使用した。各ポンプとミキサーセトラー本体1~3の各部(図7(a)参照)との接続、およびミキサー部1~3のチューブ(長さ:2m)(図7(b)参照)には、疎水性の高速液体クロマトグラフ(HPLC)配管用PFA(テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体)チューブ(内径:1mm)を用いた。水溶液用送液ポンプによって、ギ酸を溶解した水溶液が水溶液容器→ミキサーセトラー本体1→ミキサーセトラー本体2→ミキサーセトラー本体3→水溶液回収容器の順に送液される過程において、抽出剤1~3による3回の抽出を連続プロセスで行えるように、各送液ポンプ、および各ミキサーセトラー本体の各部と接続した。ポンプで水溶液6~8(60mL)をミキサーセトラー本体1→ミキサーセトラー本体2→ミキサーセトラー本体3の順に送液する過程において、抽出剤1~3(各30mL)とそれぞれスラグ流を形成させた後、各セトラー部で2相分離により分液した。水溶液は水溶液回収容器で回収し、抽出剤は元の抽出剤容器に戻して循環した。
2.2. Triple Mixer-Settler Configuration and Formic Acid Extraction Process The experimental configuration for the triple mixer-settler is shown in Figure 7. Four pumps (Q-100-TT-P-S) manufactured by TACMINA Corporation were used to deliver the aqueous solution and extractants 1 to 3. Hydrophobic PFA (tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer) tubing (inner diameter: 1 mm) for high-performance liquid chromatography (HPLC) was used to connect each pump to each of the mixer-settler units 1 to 3 (see Figure 7(a)), and for the 2-m-long tubing of mixer units 1 to 3 (see Figure 7(b)). The aqueous solution delivery pump delivered the aqueous solution containing dissolved formic acid from the aqueous solution container to mixer-settler unit 1, mixer-settler unit 2, mixer-settler unit 3, and then to the aqueous solution recovery container. The pumps and the mixer-settler unit were connected so that three extractions using extractants 1 to 3 could be performed in a continuous process. In the process of pumping aqueous solutions 6 to 8 (60 mL) in the order of mixer-settler body 1 → mixer-settler body 2 → mixer-settler body 3, slug flows were formed with each of the extractants 1 to 3 (30 mL each), and then the liquids were separated into two phases in each settler section. The aqueous solutions were collected in an aqueous solution collection container, and the extractants were returned to the original extractant container and circulated.
2.3 結果2
図8に、スラグ流形成の様子を示す写真を示し、図9に、各セトラー部における2相分離による連続的な水溶液と抽出剤の分液を示す写真を示す。ミキサーセトラー1~3において水溶液と抽出剤のスラグ流が形成された。さらに、各セトラー部における2相分離により、水溶液と抽出剤を流通式で分液できた(図9参照)。これにより、連続した3回の抽出動作を確認した。また、表4に、水溶液6~8を用いた場合のギ酸抽出率(%)を示す。
2.3 Result 2
Figure 8 shows a photograph of the formation of a slug flow, and Figure 9 shows a photograph of the continuous separation of the aqueous solution and the extractant due to two-phase separation in each settler section. A slug flow of the aqueous solution and the extractant was formed in mixer settlers 1 to 3. Furthermore, due to two-phase separation in each settler section, the aqueous solution and the extractant were separated in a continuous manner (see Figure 9). This confirmed three consecutive extraction operations. Table 4 also shows the formic acid extraction rate (%) when aqueous solutions 6 to 8 were used.
3連ミキサーセトラーを用いたギ酸抽出率は、水溶液8では11%であったのに対して、水溶液6では96%と大幅に抽出率が向上した(表4参照)。これは、pkaが6~8の塩を用いた水溶液6ではギ酸カリウムをほとんど形成しないためと考えられる。中性の塩を用いた水溶液7でも、水溶液8の値を上回る40%のギ酸抽出率を得た。 The formic acid extraction rate using the triple mixer settler was 11% for Aqueous Solution 8, but was significantly improved to 96% for Aqueous Solution 6 (see Table 4). This is thought to be because Aqueous Solution 6, which uses a salt with a pKa of 6 to 8, hardly forms any potassium formate. Aqueous Solution 7, which uses a neutral salt, also achieved a formic acid extraction rate of 40%, exceeding the value for Aqueous Solution 8.
3.実験3
3.1. 小型還元反応用電極(カソード電極)の作製
溶媒エタノールにマルチウォール・カーボンナノチューブ(MWCNTs)5質量%を分散させたインクを用い、多孔質カーボンファイバーから構成される多孔質カーボンシート(CS)にディップ塗布し、25℃で乾燥後、アルゴン雰囲気下、350℃で加熱処理することによって、MWCNTsが担持されたMWCNTs/CSシートを作製した。
3. Experiment 3
3.1. Preparation of a small reduction reaction electrode (cathode electrode) A porous carbon sheet (CS) composed of porous carbon fiber was dip-coated with ink prepared by dispersing 5% by mass of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) in an ethanol solvent. The ink was then dried at 25°C and then heat-treated at 350°C in an argon atmosphere to prepare a MWCNTs/CS sheet carrying MWCNTs.
Ru錯体ポリマー溶液の成分(1回塗布分)は、Ru錯体モノマー[Ru{4,4’-ジ(1-H-1-ピロリプロピル カルボネート)-2,2’-ビピリジン}(CO)2Cl2](5.02×10-7mol/cm2)、ポリマーを構成する重合剤としてピロール(1.99×10-9mol/cm2)、重合触媒として塩化鉄(FeCl3)(2.79×10-6mol/cm2)、溶媒としてエタノール(14mL/cm2)、アセトニトリル(53mL/cm2)であり、これを10回塗布、真空乾燥して、Ru錯体ポリマー(RuCP)をMWCNTs/CSシートに担持した。20mm×15mmのTi板(JIS Ti1種、厚さ0.5mm)の表面を研磨し、還元触媒であるRuCP/MWCNTs/CS(厚み320μm、以下、RuCP/MWCNTs/CSと略す)を10mm×10mmに切り出したものをTi基板にグラファイト接着剤で接着した。チタン基板端部と圧着端子を付けた導線をチタン製のボルト、ナット、ワッシャーを用いて接合した。その後、シリコーンゴムで、端子接合部を被覆した。 The components of the Ru complex polymer solution (for one application) were Ru complex monomer [Ru{4,4'-di(1-H-1-pyrrolypropyl carbonate)-2,2'-bipyridine}(CO) 2 Cl 2 ] (5.02×10 −7 mol/cm 2 ), polymerization agent constituting the polymer, pyrrole (1.99×10 −9 mol/cm 2 ), polymerization catalyst, iron chloride (FeCl 3 ) (2.79×10 −6 mol/cm 2 ), and solvent, ethanol (14 mL/cm 2 ) and acetonitrile (53 mL/cm 2 ). This solution was applied 10 times and dried under vacuum to support the Ru complex polymer (RuCP) on the MWCNTs/CS sheet. The surface of a 20 mm x 15 mm Ti plate (JIS Ti type 1, thickness 0.5 mm) was polished, and a 10 mm x 10 mm piece of RuCP/MWCNTs/CS (thickness 320 μm, hereafter abbreviated as RuCP/MWCNTs/CS), a reduction catalyst, was cut and bonded to the Ti substrate with graphite adhesive. The end of the titanium substrate was joined to a conductor with a crimp terminal using titanium bolts, nuts, and washers. The terminal joint was then covered with silicone rubber.
3.2. カソード特性評価
作用極に上記カソード電極を、対極に白金線を、参照極にHg/Hg2SO4を用いた。Ti/接着剤/RuCP/MWCNTs/CSの小型カソード電極と、水溶液6(実施例)、または水溶液8(比較例)に反応基質として二酸化炭素(CO2)ガスをバブリングしながら、ポテンシオ・ガルバノスタット(VMP3,Bio-Logic Sciences Instruments)を用いて、1mA/cm2の定電流測定を実施した。水溶液6では、生成したギ酸を抽出することによってセルの水溶液中のギ酸濃度の上昇を抑えて測定した。水溶液8では、生成したギ酸濃度をそのまま上昇させて測定した。イオンクロマトグラフ(Integrion RFIC EG equipped with IonPac EGC-500-KOH,CR-ATC600 columns and a conductometric detector,Dionex Corporation)を使用して、生成したギ酸量を定量し、ギ酸のファラディー効率(FE)を求めた。
3.2. Cathode Characterization The cathode electrode described above was used as the working electrode, a platinum wire as the counter electrode, and Hg/ Hg2SO4 as the reference electrode. A small cathode electrode of Ti/adhesive/RuCP/MWCNTs/ CS was used, and carbon dioxide ( CO2 ) gas was bubbled as a reaction substrate into aqueous solution 6 (Example) or aqueous solution 8 (Comparative Example). A potentio-galvanostat (VMP3, Bio-Logic Sciences Instruments) was used to perform constant current measurements at 1 mA/cm2. For aqueous solution 6, the formic acid concentration in the cell was extracted to suppress the increase. For aqueous solution 8, the formic acid concentration was allowed to increase. The amount of formic acid produced was quantified using an ion chromatograph (Integrion RFIC EG equipped with IonPac EGC-500-KOH, CR-ATC600 columns and a conductometric detector, Dionex Corporation), and the Faraday efficiency (FE) of formic acid was calculated.
3.3 結果3
表5に、水溶液6、水溶液8を用いた場合のギ酸のファラディー効率(FE)維持率を示す。
3.3 Result 3
Table 5 shows the Faraday efficiency (FE) retention rate of formic acid when Aqueous Solution 6 and Aqueous Solution 8 were used.
セルの水溶液中のギ酸濃度の上昇を抑制することによって、ギ酸FE維持率が大幅に向上し、安定した動作が得られた(表5参照)。 By suppressing the increase in formic acid concentration in the cell's aqueous solution, the formic acid FE retention rate was significantly improved, resulting in stable operation (see Table 5).
このように、実施例によって、還元反応用電極と酸化反応用電極とを備える電気化学リアクタにおいて、特性低下を抑制し、安定した動作を維持することができ、生成した有機酸を回収する際の消費エネルギーを抑制し、回収量を向上することができた。 In this way, the examples show that in an electrochemical reactor equipped with a reduction reaction electrode and an oxidation reaction electrode, deterioration in characteristics can be suppressed, stable operation can be maintained, energy consumption when recovering the generated organic acid can be reduced, and the amount recovered can be increased.
1,2 人工光合成装置、3,4 電気化学リアクタ、10 電気化学反応セル、12 タンク、14 液液抽出装置、16 還元反応用電極、18 酸化反応用電極、20 容器、22 ポンプ、24 電解液供給配管、26 電解液排出配管、28,36 循環配管、30 反応基質供給源、32 反応基質供給配管、34 太陽電池セル、38,40 配管、42,42a,42b 流路、44 電解質膜。 1, 2 Artificial photosynthesis device, 3, 4 Electrochemical reactor, 10 Electrochemical reaction cell, 12 Tank, 14 Liquid-liquid extraction device, 16 Reduction reaction electrode, 18 Oxidation reaction electrode, 20 Container, 22 Pump, 24 Electrolyte supply pipe, 26 Electrolyte discharge pipe, 28, 36 Circulation pipe, 30 Reaction substrate supply source, 32 Reaction substrate supply pipe, 34 Solar cell, 38, 40 Pipe, 42, 42a, 42b Flow path, 44 Electrolyte membrane.
Claims (6)
pkaが6~8の塩、中性の塩、またはそれら両方を溶解した電解液を入れるタンクと、
前記タンクから前記容器に前記電解液を供給する電解液供給手段と、
前記容器内から排出された、前記反応基質の還元により生じた前記有機酸が溶け込んだ電解液から、2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つを含む有機溶媒に前記有機酸を抽出する液液抽出装置と、
を備え、
前記有機酸は、ギ酸、酢酸、およびプロピオン酸のうちの少なくとも1つを含み、
前記pkaが6~8の塩は、リン酸二水素カリウムを含み、前記中性の塩は、硫酸カリウムを含み、
前記2級アミンおよび3級アミンのうち少なくとも1つは、下記式(1)で示されるアルキルアミンを含むことを特徴とする電気化学リアクタ。
R 1 R 2 R 3 N (1)
(式(1)において、R 1 ,R 2 ,R 3 のうち少なくとも2つは、独立して炭素数6以上12以下のアルキル基であり、残りは水素原子を示す。) an electrochemical reaction cell in which a reduction reaction electrode containing a reduction catalyst and an oxidation reaction electrode containing an oxidation catalyst are disposed in a container, and which reduces a reaction substrate to produce an organic acid;
a tank for holding an electrolyte solution containing a salt with a pKa of 6 to 8, a neutral salt, or both;
an electrolyte supply means for supplying the electrolyte from the tank to the container;
a liquid-liquid extraction device that extracts the organic acid from the electrolytic solution discharged from the container and having the organic acid dissolved therein, the organic acid being produced by the reduction of the reaction substrate, into an organic solvent containing at least one of a secondary amine and a tertiary amine;
Equipped with
the organic acid comprises at least one of formic acid, acetic acid, and propionic acid;
The salt having a pKa of 6 to 8 includes potassium dihydrogen phosphate, and the neutral salt includes potassium sulfate;
At least one of the secondary amine and the tertiary amine comprises an alkylamine represented by the following formula (1) :
R 1 R 2 R 3 N (1)
(In formula (1), at least two of R 1 , R 2 , and R 3 are independently an alkyl group having 6 to 12 carbon atoms, and the rest are hydrogen atoms.)
前記液液抽出装置は、ミキサーセトラー式抽出装置、塔形式装置、および遠心式抽出装置の少なくとも1つであることを特徴とする電気化学リアクタ。 10. The electrochemical reactor of claim 1,
The electrochemical reactor is characterized in that the liquid-liquid extractor is at least one of a mixer-settler extractor, a column extractor, and a centrifugal extractor.
前記反応基質は、二酸化炭素であり、前記反応基質の還元により生じた前記有機酸は、ギ酸であることを特徴とする電気化学リアクタ。 10. The electrochemical reactor of claim 1,
1. An electrochemical reactor, wherein the reaction substrate is carbon dioxide, and the organic acid produced by reduction of the reaction substrate is formic acid.
前記還元触媒は、ルテニウム錯体ポリマーであり、前記酸化触媒は、酸化イリジウムであることを特徴とする電気化学リアクタ。 10. The electrochemical reactor of claim 1,
1. An electrochemical reactor, wherein the reduction catalyst is a ruthenium complex polymer, and the oxidation catalyst is iridium oxide.
前記電解液を前記電気化学反応セルの前記容器内から排出後、前記タンクに循環する循環手段をさらに備えることを特徴とする電気化学リアクタ。 10. The electrochemical reactor of claim 1,
The electrochemical reactor further comprises a circulation means for circulating the electrolytic solution to the tank after the electrolytic solution is discharged from the container of the electrochemical reaction cell.
前記酸化反応用電極および前記還元反応用電極に供給される電力を生成する太陽電池セルと、
を備えることを特徴とする人工光合成装置。 The electrochemical reactor of claim 1;
a solar cell that generates power to be supplied to the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode;
An artificial photosynthesis device comprising:
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