穏和な条件で水素貯蔵媒体から水素を取り出す電極触媒システムの構築

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K18287
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 荻原 仁志 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60452009)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 水素キャリア / 電解反応 / メタノール / 電極触媒

Outline of Annual Research Achievements

水素キャリア（メタノール）からの脱水素反応を電気化学的な手法で実施した。膜-電極接合体を用いることで，生成物の定量分析を行いながら電気化学反応を行った。メタノールの電解反応では，CO2のみならずギ酸メチルが生成した。
メタノールの電解改質は単なる水素キャリアからの脱水素のみならず，水からも水素が取り出せる点が特長の一つである。つまり，メタノールを加えることで，水電解に必要となるエネルギー（理論電解電圧=1.23 V）を大きく低減しながら，水とメタノールから水素を取り出すシステムになり得る。このような観点では，電解電圧のみならず，副生成物（ギ酸メチル）を抑制する技術の開発が重要となる。なぜなら，ギ酸メチルは分子構造中に水素を含むため，メタノールからの水素発生効率が減少してしまうだけでなく，ギ酸メチルが生成する反応には水が関与しないため，水電解のエネルギー低減には寄与しないからである。
そこで，酸化生成物の選択性および電解電圧に対する「電極触媒の担体効果」と「Pt/C触媒への第2金属の添加効果」を検討した。その結果，Pt電極触媒の性能は，用いる炭素担体の種類の依存し，VULCAN XC-72や酸処理したカーボンナノファイバーを担体に用いた時に，低い電解電圧で水素が発生することがわかった。しかしいずれの炭素担体を用いてもギ酸メチルの副生を抑制することはできず，すべての触媒においてCO2生成のファラデー効率は，ほぼ同程度であった。次いで，Pt/C触媒へ第2金属成分への添加効果を検討した。種々の貴金属を添加したPt-M/C触媒を用いてメタノールの電解改質を行ったところ，Ru, Rh, Irを添加したPt/C触媒で電解電圧の低減が観測された。しかしいずれの貴金属を添加しても，生成物の分布に大きな変化は見られなかった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2017年度4月より，研究代表者の所属研究機関が変更になった。研究環境を整備するために一定の時間を要したが，当初の研究計画を遂行可能な設備が整った。2016年度の成果より，電解脱水素用のキャリア分子としてメタノールが有望であることが明らかとなったので，2017年度は電極触媒や電解条件を詳細に検討した。炭素担体および添加金属は電解電圧に強い影響を与え，適切な炭素担体や添加金属を選ぶことで，水電解を大きく下回るエネルギーでメタノールの電解改質が定常的に進行することが示された。また，炭素担体の種類とPt/Cへの第2金属成分の添加は，酸化生成物（CO2とギ酸メチル）の生成選択性には大きな寄与を示さないことが明らかとなった。
これら成果は2018年度に2件の学会発表として成果発表を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

CO2を気相に放出しないメタノールの電解脱水素法を開発した。メタノールの電解改質は単なる水素キャリアからの脱水素のみならず，水からも水素が取り出せる点が特長の一つである。すなわち水電解を下回るエネルギーで，水とメタノールから水素を取り出すシステムになり得る。ここでは，電解電圧の低減のみならず，副生成物（ギ酸メチル）を抑制することが重要となる。なぜなら，ギ酸メチルは分子構造中に水素を含み，さらにギ酸メチル生成の反応では水は関与しないためである。本研究では，以上の点を明らかにした後に，ギ酸メチル生成を抑制可能な電極触媒の開発に着手した。
触媒機能を改善するための典型的な手法（担体効果および第2金属成分の添加）では，副生成物の生成割合は大きくは変化しないことがわかったので，今後はギ酸メチルが生成する反応機構を電気化学的手法および分光学的手法から明らかにすることで，触媒設計の指針を明らかにし，CO2への完全酸化のみが進行する電極触媒の設計合成に取り組みたい。

Causes of Carryover

2017年4月に研究代表者が所属機関を異動したことに伴って，装置の移動や整備が必要となり，その期間の研究が停止していた。この不足期間分の研究を次年度に行いたく，補助事業期間を延長した。