2022 Fiscal Year Research-status Report
パルス電位印可によるCu触媒電極のCO2電解還元における反応機構の実験的解明
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22K05301
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高辻 義行 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (70799345)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | パルス電位制御 / 二酸化炭素電解還元 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
パルスで電位印加する際に気を付ける点は、電位を設定電位まで一瞬で操作することによる非ファラデー電流の存在である。非ファラデー電流はファラデー効率の算出には加えないことが理想であるが、非ファラデー電流とファラデー電流の区別をすることができない。また、電位のパルス印加から自然電位に戻す際に酸化電流が流れるが、その電流が非ファラデー電流だけ確証はなく、酸化電流が流れた際には、触媒電極が変化する可能性がある。そこで酸化電流が流れないようにパルスを電位制御と電流制御とで比較することを試みた。電流制御の場合、自然電位まで電位が戻ることはないが、酸化電流が流れないように制御することが可能となる。目的の電位まで到達した際に流れる電流を測定し、同じ条件になるように、同じ条件になるように電位制御と電流制御で比較を行った。電位制御と電流制御ではCO2電解還元の生成物選択性が異なることが明らかとなった。制御機構は異なるが、結果として同じ電流が流れるように制御できているにも関わらず、CO2電解還元の生成物選択性が異なる理由は、ＩＲドロップの影響が大きいためであると考えられる。電位制御の際は、設定電位にまで印加電位を急激に変化させるが、電流制御は目的に電流が流れるまで電位を操作することになる。そのため、同じ大きさの電流が流れていても到達した電位が異なる状態が生じる。その結果、電流制御で行った場合は、反応電子のほとんどがCO2電解還元よりも小さなエネルギーで生じる水素発生の消費されてしまい、CO2電解還元反応が進まない状況が生まれてしまう。これらの結果を踏まえ、酸化電流が流れない電位でパルス電位印加を行うことが重要である。
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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
パルスの電位印加によって、触媒表面の変化が生じることは避けなければならない。そのアプローチとして、電位制御と電流制御のどちらが有効であるかを確かめることは非常に有益であった。電位制御、電流制御それぞれにメリット・デメリットが存在するが、目的である反応機構の実験的証明を行うためには、電位制御で行うべきであると考えられる。電位制御でパルス印加を行い、酸化電流が流れない電位を設定することで、触媒表面の変化を生じさせずに反応機構を追うことができる。反応に必要な電位を複数変化させることで反応機構の確認を行い、生成物選択性を変化させることが期待される。現状で、ミリ秒単位でパルス電位印加を行っており、生成物選択性は設定した電位の印加時間の比に比例する結果だけではないことが確認されている。また、電位を自然電位に戻した場合の結果についても、比較を行っており、流れた酸化電流をどのように扱いファラデー効率を計算すべきか検討している。これらの実験を推進して、生成物選択性はパルス制御の際のデューティ比に依存する可能性があるため、引き続き検討を続ける。
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| Strategy for Future Research Activity |
基本的に、パルス制御は電位で行い、生成物選択性がそれぞれの設定電位のデューティ比に依存するかの確認を引き続き検討する。同じデューティ比で電位印加時間を延ばしていき、生成物選択性がデューティ比に依存する場合としない場合で、それらの結果が引き起こされる要因について明らかにしていく。また、パルスの設定電位と印加時間を変化させ、計算化学で提唱されている反応機構を実験的に制御することを試みて、炭化水素類であるメタンやエチレンなどの生成比を変化させる。できればアセチレンやエタンなど、報告が少ない生成物をパルスによって選択性向上を目指す。加えて、触媒電極にわざと酸化電位を与え、表面を変化させることによって、通常の定電位印加による還元反応では選択されないような反応経路の探索にも挑戦する。
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