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2022 Fiscal Year Annual Research Report

宇宙探査における生命維持のためのCO2からのO2回収:燃料電池システムの適用

Research Project

Project/Area Number 20H00282
Research InstitutionNagaoka University of Technology

Principal Investigator

梅田 実  長岡技術科学大学, 工学研究科, 理事・副学長 (20323066)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 曽根 理嗣  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (70373438)
白仁田 沙代子  長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (90580994)
松田 翔風  長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (90800649)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Keywordsメタン生成 / 二酸化炭素還元 / 白金担持カーボン / 固体高分子形セル / 低過電圧
Outline of Annual Research Achievements

我々はこれまで固体高分子形燃料電池を用いてCO2をCH4に還元する研究を行い,高選択的かつ低消費エネルギーで反応させる新技術を開発してきた。また,このCO2還元をH2酸化と組み合わせることで燃料電池が発電することを報告している。当初の電流効率が約2%であることを踏まえ本研究では,電流効率50%を実現する電極系の開発ならびに燃料電池発電とCH4生成(O原子2個回収)が一致しかつ連続作動可能な方法の開発を目的とし研究を遂行している。これまでにPt-Ru/Cを検討し、Pt0.8Ru0.2/Cが18.2%の電流効率を示した。これに続き、本年度は新しい電極触媒を開発する目的でPt-Ru/Cを精査した結果、Pt0.9Ru0.1/Cが特異的にメタン、エタノール、アセトンを生成することが初めて見出された。これまで検討したPt/C、Pt0.8Ru0.2/C、Pt0.5Ru0.5/CではCO2還元生成物はメタンだけであったが、Pt0.9Ru0.1/Cでは定電位電解によるメタン、エタノール、アセトン電流効率が各々18.4%、5.7%、4.9%となり、合計の電流効率は29.0%と高効率を示した。このように、Pt0.9Ru0.1/Cを用いることで、C1-C3化合物が合成されるという新しい知見が得られた。C2以上の化合物が生成するメカニズムについては今後の検討とする。さらに、R3年度に検討したPt/C電極触媒を組み込んだセルを用いたCO2還元に続いて本年度は,多段階電位ステップ法(CH4生成量を増やしつつ電荷回収を行うセル運転方式)を詳細に検討し、最適化を図ることで見かけの電流効率が60.5%(R3年度)から72.3%に向上した。このように,電極触媒ならびにセル運転方式を研究していくことで電流効率が向上することが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

研究の初期は約2%であったメタン生成の電流効率が、本研究初年度の定電位法による18.2%に比して、今年度にPt0.9Ru0.1/Cを用いて定電位還元したところ、C1-C3化合物が得られ合計の電流効率は29.0%を示した。このように電流効率が大幅に向上していることが分かる。また、多段階電位ステップ法では昨年度の電流効率60.5%から72.3%に向上が認められる。

Strategy for Future Research Activity

当初の予定どおり,電解質膜・電極界面でPt電極およびPt基電極がCO2還元に示す特異性の研究,CO2電解還元セル運転方式の研究,電解質膜・電極界面(三相界面)の研究開発を中心に推進し,電流効率の更なる向上を目指す。

  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (6 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Energy conversion efficiency comparison of different aqueous and semi-aqueous CO2 electroreduction systems2022

    • Author(s)
      Shofu Matsuda, Misa Tanaka, Minoru Umeda
    • Journal Title

      Analytical Methods

      Volume: 14 Pages: 3280-3288

    • DOI

      10.1039/D2AY01087A

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Highly-Efficient CO2 Electromethanation with Extremely Low Overpotentials on Pt/C Catalysts: Strategic Design of Multi-Potential-Step Method2022

    • Author(s)
      Shofu Matsuda, Taito Sakoda, Ryu Ishibashi, Minoru Umeda
    • Journal Title

      ChemElectroChem

      Volume: 9 Pages: e202200837

    • DOI

      10.1002/celc.202200837

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 低炭素社会に向けたCO2還元―超低過電圧で二酸化炭素を有用化合物に変換する新電解技術2022

    • Author(s)
      松田翔風,梅田実
    • Journal Title

      化学

      Volume: 77 Pages: 72-73

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Pt基電極触媒上で起こる低過電圧CO2還元反応2023

    • Author(s)
      松田 翔風,梅田 実
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] Pt上でCO2還元中間体COからCH4が生成する反応のメカニズム解析2023

    • Author(s)
      松田 翔風,田中 美沙,梅田 実
    • Organizer
      電気化学会第90回大会
  • [Presentation] Pt/C電極触媒を用いたCO2還元の電位ステップ法適用によるCH4生成の高効率化2022

    • Author(s)
      石橋龍,迫田泰斗,松田翔風,白仁田沙代子,梅田実
    • Organizer
      電気化学会北陸支部春季大会
  • [Presentation] CO2電解還元のエネルギー変換効率:水溶液系と膜電解質系での比較2022

    • Author(s)
      杉山 錬太郎,松田 翔風,田中 美沙,白仁田 沙代子,梅田 実
    • Organizer
      第29回燃料電池シンポジウム
  • [Presentation] Pt電極触媒を有する膜電極接合体を用いたCO2メタネーションの高効率化に向けた電位ステップ法の適用2022

    • Author(s)
      石橋 龍,迫田 泰斗,松田 翔風,白仁田 沙代子,梅田 実
    • Organizer
      2022電気化学会秋季回大会
  • [Presentation] H2-CO2燃料電池カソードにおけるPt0.9Ru0.1/C電極触媒の特異的反応2022

    • Author(s)
      石橋 龍,杉山 錬太郎,松田 翔風,白仁田 沙代子,梅田 実
    • Organizer
      第63回電池討論会
  • [Book] 「CO2の分離・回収・貯留技術の開発とプロセス設計」第5章,第9節「膜電極接合体を用いる二酸化炭素の電気化学的固定技術」2022

    • Author(s)
      松田翔風,梅田 実
    • Total Pages
      586
    • Publisher
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-902-6

URL: 

Published: 2023-12-25  

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