デュアル固体セルを用いた革新的オンデマンド選択電解プロセスの構築

• 研究課題/領域番号: 21K19019
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分36:無機材料化学、エネルギー関連化学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 雨澤 浩史 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (90263136)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2021年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
• キーワード: デュアル固体セル / 化学ポテンシャル / 電気化学制御 / 電解 / 固体電解質 / デュアルセル

研究開始時の研究の概要

本研究では，2つの元素の化学ポテンシャルを同時，独立かつ任意に制御し得るデュアル固体セルを提案し，これを用いて，従来の単一セルによる電解では不可能であった“欲しい化合物を，欲しい時に，欲しいだけ選択的に分別合成できる”革新的なオンデマンド選択電解プロセスを構築することを目的とする．多元系化合物の選択電解合成では，熱力学的には複数元素の化学ポテンシャルの同時制御が必要だが，それを任意に実現する電解プロセスはこれまで皆無であった．本研究では，固体の酸化物イオン伝導体およびプロトン伝導体を電解質とするデュアル固体セルをモデルケースに，このオンデマンド選択電解プロセスのコンセプトを実証する．

研究成果の概要

本研究では，2種類の元素の化学ポテンシャルを同時，独立かつ任意に制御し得るデュアル固体セルにより，化合物の選択合成を可能とする「オンデマンド選択電解プロセス」を構築することを目的とした。CO2からのC-H-O化合物の選択合成をモデルケースに，固体の酸化物イオン伝導体およびプロトン伝導体を電解質とするデュアル固体セルを構築し，上記プロセスのコンセプト実証を試みた。その結果，両セルに独立に電圧を印加することで，反応場における酸素化学ポテンシャルμ(O)，水素化学ポテンシャルμ(H)を任意に変化させ， CH4，CO，H2，H2Oなどの生成ガスの合成選択率を制御できることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

これまでに用いられてきた単一セルによる電解プロセスでは，2種類以上の元素の化学ポテンシャルを同時，独立かつ任意に制御することはできず，多元系化合物の選択合成は不可能であった．これに対し，本研究で提案・確立された「オンデマンド選択電解プロセス」を用いると，多元系化合物の選択合成が可能となることが示された．本研究では，C-H-O化合物の選択合成をモデルケースとしたが，実証されたコンセプトは，適切なデュアル固体セルを構築することで，原理的にはどのような多元系化合物の選択合成にも適用可能である．このように，新たな電解プロセスの可能性を示した点で，本研究の意義は大きい．