2018 Fiscal Year Research-status Report
二酸化炭素の新たな電気化学転換メカニズムを発現する金属原子膜積層電極の創製
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18K04737
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| Research Institution | Fukuoka University |
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Principal Investigator |
吉原 直記 福岡大学, 工学部, 助教 (90708869)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電極材料 / 二酸化炭素 / 金属積層 / 電気化学還元 / 表面・界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素の電気化学還元反応は、電極となる金属種によって生成物組成が決定されるため既報にない新たな物質は生成されない。本研究では、電極となる金属表面での二酸化炭素の吸着力がこの反応における生成物選択性に関わる因子になることに着目し、異種金属の原子膜を積層させた金属原子膜積層電極を作製し、この電極上にて新たな二酸化炭素転換メカニズムを実現させることを目指している。
平成30年度は、数種類の市販Cu箔上にNiを電着させたCu-Ni積層電極を作製し、その表面での二酸化炭素の電気化学還元反応による生成物選択性の評価を行った。検討の結果、二酸化炭素由来のメタンとエチレンの生成物組成が大きく変化し、これら炭化水素の電流効率が60％を上回ることを確認した。また、これら生成物選択率の向上にかかる条件因子が、Ni堆積量と支持電極となるCu箔を構成する結晶構造であることを明らかにした。これらの結果は、Niが堆積されたCu電極表面ではCu単独の表面と比較して多くの二酸化炭素を吸着するだけでなく、副生成物となるプロトン還元による水素生成反応を抑制し、効率良く二酸化炭素還元を促進させていると考えられる。しかし、今年度作製した積層電極は生成物組成の向上には成功したが、二酸化炭素から既報にない新たな物質の生成することについては、引き続き検討課題として残った。
最後に、Cu単結晶膜電極上にNiを堆積させた電極を作製しCu結晶構造の影響を検討した。Cu(111)結晶構造は二酸化炭素からメタンへの電気化学還元に優位であることが報告されているが、この表面に微量のNiを堆積させると急激にメタンやエチレンといった炭化水素生成物の電流効率が低下し、一方で二酸化炭素の還元活性が低いCu(110)結晶構造のものは、これらの電流効率がそれぞれ倍以上増加することを確認した。
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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
Cu箔上に微量のNiを堆積させたCu-Ni金属積層電極表面では、単一Cu電極のものと比較して非常に高い二酸化炭素の電気化学還元活性を発現させることに成功した。これらは、Ni電着量を最適化したCu-Ni金属積層電極表面での二酸化炭素の吸着力が単一のCuおよびNi電極のものとそれぞれ異なるため、単一金属にない特異な電気化学還元メカニズムがこの金属積層電極表面で発現されたと考えられる。このような異種金属の積層構造を制御した電極を作製し、その表面で特異な二酸化炭素の吸着力を発現させることで、目的物質の生成に向けた二酸化炭素の電気化学還元メカニズムの実現が可能となる。このような理由から、本研究は目標に向けて概ね順調に進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
単一金属電極上では実現できなかった新たな二酸化炭素の電気化学還元メカニズムを発現するため、異種金属原子層の最適積層条件を引き続き検討する。前年度の研究において、二元系金属積層電極の下地金属の結晶構造が電気化学還元メカニズムに影響を与える因子になるという興味深い結果を明らかした。今後はこの新たな知見を踏まえたうえで、金属原子膜の積層制御法の開発を進めるとともに、金属積層配列に伴う二酸化炭素の表面吸着エネルギーについても明らかにしていく。
これらを進めるにあたり当該年度は、二元系金属積層電極上での二酸化炭素の吸着力に関する共同研究を行い、二酸化炭素の電気化学還元に関する研究の幅を広げる研究に注力する。また得られた研究成果は国際学会および国内学会で発表する。
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| Causes of Carryover |
平成30年度においては、当初の研究計画に比べ二元系金属積層電極の作製手法およびその効果を早い段階で明らかにすることができたため、堆積させる金属試薬の購入量やその分析にかかる費用を抑えることができたことで繰越金が発生した。この繰越金については、令和元年度において原子膜積層構造形成に向けた加熱処理のための雰囲気ガスボンベ等の費用に充てる。
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