2021 Fiscal Year Annual Research Report
電気化学的促進効果による窒素・炭素循環利用プロセスの構築と電気化学反応装置の開発
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21H04938
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大友 順一郎 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 教授 (90322065)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 電気化学的促進効果 / 窒素還元 / 二酸化炭素還元 / エネルギー化学物質 / 電気化学反応装置設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新規な電極触媒反応場を利用した電気化学反応装置の開発を目的として、初年度である令和3年度は、電気化学および反応生成物の測定系の構築を行うとともに、プロトン伝導性電解質を用いた電解セルの作製を行い、窒素還元反応および二酸化炭素還元反応の実験の立ち上げを行った。窒素還元によるアンモニア電解合成については、イットリウムドープセリア酸バリウムを電解質に用い、窒素と水素を同時に供給する方式である一室型セルで検討を行った。その結果、電極触媒としてFeを用いた場合、カソード分極に伴いアンモニアの生成速度の上昇が観測された。また、二酸化炭素還元によるメタンと一酸化炭素生成の実験について、イットリウムドープジルコン酸バリウムを電解質に用い、二酸化炭素と水素をカソードとアノードに別々に供給する二室型セルで反応生成物の検出を行った。電極触媒としてNiとCuを用いた観測を通じて、一酸化炭素とメタンの生成が観測された。メタン生成反応の電極電位に対する依存性が確認されたが、一酸化炭素に対する選択率の向上が課題であることがわかり、今後触媒の開発が必要である。さらに、初年度はアノードの水蒸気電解の検討に向け、積層型セルの検討も開始した。プロトン伝導性セラミックセルでは電解質内のホール伝導によるリーク電流の抑制が重要になる。ランタン系プロトン伝導体を中間層に導入した積層型セルを作製し、ホール伝導の抑制と起電力の向上を確認した。さらに、作動温度の低温化の観点から単体および複合型の無機プロトン伝導性電解質の合成にも着手した。以上の検討を通じて、提案する電気化学セル構築に向けた有用な知見を得ることができた。
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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
初年度は、目標である電解セルの合成と電解合成の測定系の構築を行い、窒素還元および二酸化炭素還元反応の観測を行った。一室型セルによるアンモニア電解合成について、カソード分極に伴うアンモニア生成速度の向上に加え、反応気体の体積流量の増加に伴いアンモニアの生成速度の増加が観測された。アンモニア生成速度について、装置設計上十分に高い値が観測され、今後の電気化学反応装置の設計に向けて必要な性能が確認された。また、正反応であるアンモニア生成反応はカソード分極により加速されるが、逆反応であるアンモニア分解反応速度も十分に速いことが明らかになった。この観測結果は今後の電極触媒の選定や電気化学セル設計に向けて重要な知見となる。また、二室型セルを用いた二酸化炭素還元の測定系も立ち上げ、反応生成物の観測を行った結果、一酸化炭素とメタンの生成が観測された。一方、一酸化炭素と比較してメタンの選択率が低いため、触媒の選定が今後の課題であることも明らかになった。さらに初年度は、電気化学反応器の設計で必須となる水蒸気電解を考慮した電解セルの作製にも着手した。電解質であるイットリウムドープジルコン酸バリウム上に中間層であるタングステン酸ランタンおよびランタンドープセリアをパルスレーザー堆積法によって成膜することで、電解質のホール伝導に伴うリーク電流を抑制した積層型セルを作製することができた。中間層のないセルと比較して起電力の向上が観測され、高効率な水蒸気電解セル設計の知見が得られた。以上より、電極反応とセル設計の両面から有用な成果が得られており、本研究課題は計画のとおり順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の成果を踏まえ、2年目である令和4年度は、電極触媒材料の検討と電極構造の最適化に加え、反応機構の解明を進める。アンモニア生成反応では、水素生成反応の抑制に加え、逆反応の抑制の必要性が明らかになり、その観点から電極触媒材料や構造の検討を進める。二酸化炭素の還元反応についても反応生成物である一酸化炭素とメタンの選択率の制御が必要であり、電極触媒材料の検討を進める予定である。以上の反応速度と選択率の向上のためには反応機構の解明が必要不可欠である。透過型および拡散反射型の2つの方式による赤外分光測定装置を構築し、分極化における電極表面上の吸着スペクトルのその場観測を行う。スペクトルシフトの観測から吸着分子への電子注入の状況を観測する。また、同位体分光測定も併用し、電位変化による窒素分子などの解離反応促進の効果を観測する研究にも着手する。電極表面の局所的な電極表面電位を検討するため、交流インピーダンス法とケルビンプローブフォース顕微鏡によるキャパシタンスの変化や局所電位変化について検討する。これらの電極反応制御の検討と共に、アノードの水蒸気電解の高効率化を目指し、初年度から開始したホール伝導抑制を考慮した積層型セルの開発を進める。以上の検討を通じて、反応機構の解明とともに高効率な電気化学反応装置設計のための検討を進める。
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