2018 Fiscal Year Annual Research Report
Process development for coproduction of hydrogen and chemicals in electrochemical reaction
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18H01778
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
河瀬 元明 京都大学, 工学研究科, 教授 (60231271)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
蘆田 隆一 京都大学, 工学研究科, 講師 (80402965)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電気化学反応 / 選択 / 水素 / 化成品 / 界面電位差 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エタノールの部分酸化によるアセトアルデヒド合成を取り上げ，反応速度論的な研究を行っている。この反応系は逐次反応であり，アセトアルデヒドはさらに酸化されると酢酸となる。アルデヒド合成での高選択率達成は従来プロセスではもっぱら触媒開発に頼っており，濃度，温度の制御ではさらなる酸化の進行を十分抑制することは困難である。電気化学反応の場合，アノードでの電極反応式と標準電極電位は次の通りとなる。
C2H5OH → CH3CHO + 2H+ + 2e--0.215 V vs. NHE
CH3CHO + H2O → CH3COOH + 2H+ + 2e-0.102 V vs. NHE
アルコール酸化とそれに続くアルデヒド酸化では平衡電位が異なるため，電位によっても選択性を変えることができる。カソードでは次式で水素が生成し，カソードでの水素製造とアノードでの化成品合成が行える反応系である。
2 H+ + 2 e- → H2
流通式の平板電極フローセルを作製して実験に用いた。電極には150 mm×300 mm程度の白金被覆電極を用い，電極間距離は500μm程度とした。電極の外側には絶縁のためのPTFE製エンドプレートと機械的強度のためのステンレス鋼製エンドプレートを設け，電気的接触と流体のシールを確保する構造とした。原料濃度以外に，電解質によっても水によるアルコール酸化と水酸化物イオンによるアルコール酸化の寄与が変化すると考えられるため，広範囲な供給液組成と印加電圧で微分反応器条件（低反応率条件）のもと実験を行った。反応率およびアセトアルデヒド選択率は原料濃度には依存しないことがわかった．また，印加電圧を上げると，反応率が低下するとともにアセトアルデヒド選択率が上昇した。なお，液組成の分析には今年度導入した液体クロマトグラフ（日立ハイテクサイエンス, Cromaster）を用いた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
流通式の平板電極フローセルの作製に成功した。
供給エタノール濃度を1～3mol/Lと変化させ，電解質にはH2SO4，Na2SO4，NaOHの3種類を用いた。また，印加電圧は1～3Vとした。反応率およびアセトアルデヒド選択率の原料濃度および印加電圧依存性のデータが得られ，電位によって選択性が変わることが明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
電気化学測定システムを導入して高周波インピーダンス測定を行うことにより，電解質溶液での電位降下を分離定量する予定である。カソードでの水素生成反応は通常高速であり，セルを用いた実験で測定される速度はアノード反応に支配されている。等温条件での電気化学測定により，電極での電子電位と電解質中のイオン電位の差を求め，この界面電位差と濃度の関数として反応速度を定式化する。
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