2021 Fiscal Year Annual Research Report
単一原子触媒から成るカスケード型高速CO2電解還元系の創製
| Project/Area Number |
21J22493
|
|---|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
加藤 慎太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
|
| Keywords | CO2電解還元 / 単一原子触媒 / 電極触媒 / 共有結合性有機構造体 / 第一原理計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
カーボンニュートラルの実現に向けて、CO2の電解還元は次世代のクリーンな燃料・化学原料の製造法として大きな注目を集めている。CO2電解還元を社会実装する上で、高い選択性と高い反応速度を同時に達成する必要がある。本研究課題では高活性・高選択な電極触媒の創製に加え、その触媒能を最大限に引き出すことができる電極・電解セル開発を目指す。
触媒の金属種はCO2還元の反応中間体の吸着の強さに直接的に関与し、活性および選択性を大きく左右する重要な因子である。しかし、-100 mAcm-2を超える高速電解下で他の因子と切り分けて金属種のみに応じた系統的な活性評価がなされた例はこれまでになかった。
そのような背景のもと、本年度は、各金属種が単核で担持された金属担持共有結合性トリアジン構造体(M-CTF)の金属中心に応じた系統的な活性評価を行った。第一原理計算から得られたM-CTFによるCO2還元の反応性および選択性の予測は、ガス状CO2基質の高速電解の実験結果とよい一致を示した。この結果は、高速CO2電解下においても分子レベルの活性および選択性の制御が反応に反映することを示しており、高速CO2電解下で機能する電極触媒材料の設計指針を示したという点において非常に価値がある。
さらに、本年度は触媒能を最大限に引き出すことができる電極・電解セルの開発を目標に、電解質層の厚みを極限にまで薄くしたゼロギャップ型セルを用いた高速CO2電解の実証にも着手した。その結果、世界最高水準の性能でエチレンやエタノールといった高付加価値物質を高速生成することに成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高速電解下においても単一原子触媒の分子レベルでのチューニングによりCO2還元の活性や選択性を系統的に制御可能であることが明らかとなった。この成果を元に高速電解下で機能する電極触媒材料の設計指針が示され、当初掲げた目標に到達し得る水準の高活性・高選択性を発現できる電極触媒の合成が可能となったことから、概ね順調といえる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度得られた知見を応用した高活性・高選択的な電極触媒の創成に加え、その触媒能を最大限に引き出すことができる電極・電解セルの開発を同時に行う予定である。今年度立ち上げをしたゼロギャップ型セルを用いたCO2電解系における活性支配要因を明らかにした上で、その知見を電極触媒開発にフィードバックすることで本研究課題遂行の促進を図る。
|
