Solvation Structure and Dynamics in Elementary Reaction of CO2 Electrochemical Reduction

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K05039
• Research Institution: Saga University
• Principal Investigator: 梅木 辰也 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (00384735)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 炭酸水素イオン / ギ酸イオン / pH / 密度 / 電気伝導度 / 粘度

Outline of Annual Research Achievements

昨年度、炭酸水素ナトリウムとギ酸が化学反応し、CO2ガスが放出されることを確認した。本年度は、まず、炭酸水素ナトリウムとギ酸の反応速度を明らかにするために、装置を作製し、炭酸水素ナトリウムとギ酸の酸塩基反応で生成するCO2ガスの流量を計測した。CO2ガス流量の時間変化を次数２の積分型速度式を用いて解析し、炭酸水素ナトリウムとギ酸の反応速度定数を決定した。
次に、ギ酸ナトリウムとギ酸の混合水溶液について、pH、密度、電気伝導度、粘度を測定した。混合水溶液のpHのギ酸濃度依存性は、ギ酸ナトリウムとギ酸の初濃度を使って酸解離定数から得られるpHとほぼ一致し、混合水溶液のpHのギ酸濃度依存性はギ酸とギ酸イオンの間の酸解離平衡に基づくプロトンの濃度変化に起因することがわかった。混合水溶液の電気伝導度のギ酸濃度依存性は、低濃度で特異的挙動を示し、ギ酸濃度増加にともない電気伝導度が増加するギ酸水溶液の結果と異なることを見出した。一方、混合水溶液の粘度は、ギ酸濃度増加にともない増加し、粘度のギ酸濃度依存性は電気伝導度のギ酸濃度依存性のような特異的挙動を示さなかった。モル伝導度と粘度から計算されるワルデン積はギ酸濃度増加にともない減少した。このワルデン積のギ酸濃度依存性は、混合水溶液中におけるプロトンの伝導機構がギ酸濃度増加にともないGrotthuss機構からVehicle機構に変化することを示唆しており、混合水溶液の低濃度で観測された電気伝導度の特異的挙動は、ギ酸から生成されるプロトン伝導のGrotthuss機構に起因すると推察した。