| Project/Area Number |
22KJ2091
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| Project/Area Number (Other) |
21J22493 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 28030:Nanomaterials-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
加藤 慎太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
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| Keywords | CO2電解還元 / 単一原子触媒 / 電極触媒 / 固体高分子型CO2電解 / 共有結合性有機構造体 / 第一原理計算 |
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| Outline of Research at the Start |
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。従来のほとんどの電極触媒では、その生成物は一酸化炭素(CO)のみに限られており、CO2をより還元が進んだメタンやメタノールなどの高付加価値な有機物へと高効率に変換できる電極触媒材料の開発が求められている。本研究課題では、金属を単核で担持した多孔性高分子材料を用い、多段階反応によりワンポットでCO2から有機物への変換を目指す。さらには、ガス拡散電極や固体高分子型電解セルを用いることで反応の高速化や駆動電圧の低減を試み、CO2電解の社会実装に向けた電解系を構築する。
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| 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。
本年度は触媒能を最大限に引き出すことができる電極・電解セル開発を目的に、電解質の厚みを極限にまで薄くした固体高分子型CO2電解系においてアノード電解液由来のアルカリカチオンがカソード側でのCO2還元反応に及ぼす影響の定量的評価を試みた。
その結果、CO2電解活性は、固体高分子膜をクロスオーバーしたアルカリカチオンの量にほぼ影響されないことが明らかとなった。この知見を基に、アノード側からカソード側に輸送されるアルカリカチオン量を制御することでカソード側での炭酸塩の形成が抑制され、電解耐久性は大幅に向上した。これらの結果は、固体高分子型CO2電解において、アルカリカチオン輸送量の適切な制御が重要であることを意味しており、固体高分子型CO2電解系の設計指針を明らかにしたという点において非常に価値がある。
本研究期間全体を通じて、反応中間体であるCO(一酸化炭素)を経由したカスケード反応による有機物生成の実現には及ばなかったものの、その基盤的な電極触媒材料の開発に成功した。さらに、COを経由してエチレン等の有機物を生成する上で極めて重要とされている、電極表面のアルカリカチオン量の精密制御に取り組んだことで、有機物生成を志向した電解系の設計指針が明らかとなった。
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