• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

CO2・バイオマスの有価物への変換を高効率化するための新規触媒と電解セルの開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K23123
補助金の研究課題番号 22H01855 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分27020:反応工学およびプロセスシステム工学関連
研究機関弘前大学

研究代表者

官 国清  弘前大学, 地域戦略研究所, 教授 (90573618)

研究分担者 阿布 里提  弘前大学, 理工学研究科, 教授 (70565374)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2023年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2022年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
キーワード二酸化炭素還元 / バイオマス転換 / 電極触媒 / 電解セル / 触媒評価 / バイオマス変換 / CO2還元触媒 / 金属層状複水酸化物触媒 / エチレン / ギ酸 / 電解還元 / 電解酸化 / バイオマス / フランジカルボン酸
研究開始時の研究の概要

再生可能エネルギーを用いて陰極でCO2を有価物へ電解還元と同時に、陽極の酸化反応を上手く組み合わせるようにすれば、電解セルの両電極で同時に高付加価値化学品を合成できる。本研究では、CO2をC2+化合物へ電解還元触媒と、バイオマス由来ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)をバイオプラスチック原料のフランジカルボン酸(FDCA)へ電解酸化触媒を開発する上、固体電解質を備える電解セルを試作し、両電極の生産効率を評価する。

研究実績の概要

令和5年度では、新規CuベースCO2還元触媒を担持したガス拡散陰極及び金属層状複水酸化物(LDH)触媒担持した多孔質陽極の調製を続けた。特に、ホウ素(B)ドープしたリン酸銅(B-Cu3(PO4)触媒を調製し、エチレン(C2H4)へのファラデー効率(FE)は40.1%に達成した。また、水熱合成法を用い、カーボンペーパーに成長した酸化銅(CuO/CP)電極を開発し、C2H4へのFEは45.6%に達成したと同時に、エタン(C2H6)とギ酸(HCOOH)へのFEはそれぞれ17.5%と10.4%に達成した。これらのCuベースCO2還元触媒は長時間の安定性(20時間以上)も示した。一方、FeCo-及びCuCoMg-ベースの層状複水酸化物陽極触媒を調製し、バイオマス由来ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)をバイオプラスチック原料のフランジカルボン酸(FDCA)へ電気化学的に変換した結果、最大100%のHMF転換率、97.7%のFDCA収率及び99.9%のFDCAへの変換ファラデー効率を達成した。また、前年度スクリーニングされた市販の多孔質プロトン伝導性固体電解質膜及びバイポーライオン交換膜を用いて、電解セルを試作した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画の通り、新規CuベースCO2還元触媒を担持したガス拡散陰極及び金属層状複水酸化物(LDH)触媒担持した多孔質陽極の調製を続けた。特に、二種類CuベースCO2還元触媒を開発し、エチレン(C2H4)へのファラデー効率(FE)は40%を超え、長時間安定性も示した。また、前年度より性能高いバイオマス由来ヒドロキシメチルフルフラール(HMF)をバイオプラスチック原料のフランジカルボン酸(FDCA)への酸化電極触媒も開発した。さらに、前年度スクリーニングされた市販の多孔質プロトン伝導性固体電解質膜及びバイポーライオン交換膜を用いて、電解セルを試作した。

今後の研究の推進方策

(1)これまで得られた電極触媒を更に改良し、最適なCO2還元触媒及びHMF酸化触媒を得る。
(2)前年度試作した電解セルを用いて、電解セルの操作条件(加湿したCO2及びHMF水溶液流量、印加電圧、多孔質プロトン伝導性固体電解質及びバイポーライオン交換膜厚さなど)を最適化する。
(3)電極反応モデルと全電解反応装置モデルの構築:以上の実験結果に基づいて電極反応モデルと全電解反応装置モデルを構築する。ここで、CO2還元とHMF酸化に対して、化学工学の視点から電極構造、電極三相界面触媒反応、全セル中各所の物質とイオン拡散といった異なる速度過程が複合された場として捉えるもので、電気化学反応プロセスに対する律速過程や混相の流動・輸送現象によって両電極の生産効率とエネルギー効率への影響を明らかにする。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 9件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Recent Advances on Transition‐Metal‐Based Layered Double Hydroxides Nanosheets for Electrocatalytic Energy Conversion2023

    • 著者名/発表者名
      Wang Yuchen、Zhang Man、Liu Yaoyu、Zheng Zhikeng、Liu Biying、Chen Meng、Guan Guoqing、Yan Kai
    • 雑誌名

      Advanced Science

      巻: NON 号: 13 ページ: 2207519-2207519

    • DOI

      10.1002/advs.202207519

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] F-doped In(OH)3 for electrochemical reduction of CO2 to formate2023

    • 著者名/発表者名
      An Xiaowei、Li Shasha、Yang Ziyuan、Ma Xuli、Hao Xiaogang、Abudula Abuliti、Guan Guoqing
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: 455 ページ: 140720-140720

    • DOI

      10.1016/j.cej.2022.140720

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Application of ionic liquids in CO2 capture and electrochemical reduction: A review2023

    • 著者名/発表者名
      An Xiaowei、Wang Peifen、Ma Xuli、Du Xiao、Hao Xiaogang、Yang Ziyuan、Guan Guoqing
    • 雑誌名

      Carbon Resources Conversion

      巻: 6 号: 2 ページ: 85-97

    • DOI

      10.1016/j.crcon.2023.02.003

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Achieving high-selectivity electrochemical reduction of CO2 to C2H4 on Cu-based electrocatalysts2024

    • 著者名/発表者名
      Ziyuan Yang, Yusrin Ramli, Changrui Feng, Yifan Zhou, Abuliti Abudula and Guoqing Guan
    • 学会等名
      International Chemical Engineering Symposia 2024, Osaka Metropolitan University Nakamozu Campus, March 18-20, 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of trimetallic catalysts for electrooxidation of 5-(hydroxymethyl)furfural to 2,5-furandicarboxylic acid2024

    • 著者名/発表者名
      Yusrin Ramli, Ziyuan Yang, Virdi Chaerusani, Abuliti Abudula, Guoqing Guan
    • 学会等名
      International Chemical Engineering Symposia 2024, Osaka Metropolitan University Nakamozu Campus, March 18-20, 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] “Electrocatalytic oxidation of 5-(hydroxymethyl)furfural to 2,5-furandicarboxylic acid2023

    • 著者名/発表者名
      Yusrin Ramli, Ziyuan Yang, Virdi Chaerusani, Abuliti Abudula, and Guoqing Guan
    • 学会等名
      11th Asian Conference on Biomass Science in Akita, Japan, December 6, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Doping of Cerium into Indium Oxide Nanorods for CO2 Electroreduction2023

    • 著者名/発表者名
      Ziyuan Yang, Yusrin Ramli, Juan Zhang, Katsuki Kusakabe, Abuliti Abudula, and Guoqing Guan
    • 学会等名
      34th International Symposium on Chemical Engineering (ISChE 2023) The-K Hotel Gyeongju, Gyeongju, Korea (Rep. of), December 1-3, 2023.
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of Cobalt-Iron Based Catalysts for Electrooxidation of 5-(Hydroxymethyl)Furfural to 2,5-Furandicarboxylic Acid2023

    • 著者名/発表者名
      Yusrin Ramli, Ziyuan Yang, Virdi Chaerusani, Katsuki Kusakabe, Abuliti Abudula, Guoqing Guan
    • 学会等名
      34th International Symposium on Chemical Engineering (ISChE 2023) The-K Hotel Gyeongju, Gyeongju, Korea (Rep. of), December 1-3, 2023.
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Synthesis of cobalt-iron based catalysts via metal-organic frameworks precursor for electrooxidation 5-(hydroxymethyl)furfural to 2,5-furandicarboxylic acid2023

    • 著者名/発表者名
      Yusrin Ramli, Ziyuan Yang, Abuliti Abudula, and Guoqing Guan
    • 学会等名
      International Symposium for the 80th Anniversary of the Tohoku Branch of the Chemical Society of Japan, Aobayama Commons, Tohoku University, Sendai, September 8-10, 2023.
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Value-added Chemicals2023

    • 著者名/発表者名
      Guoqing Guan
    • 学会等名
      1st International Conference on Emerging Materials and Technologies (ICEMT-2023)” organized at the National Institute for Materials Advancement (NIMA), Pittsburg State University
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] MOF-drived InBiOx@C catalyst for electrochemical reduction of CO2 to formate2023

    • 著者名/発表者名
      Feng Zhongbao, Yang Ziyuan, Abudula Abuliti, Guan Guoqing
    • 学会等名
      International Chemical Engineering Symposia 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of Indium doped Bi2O3 catalyst on carbon paper for electrochemical reduction of CO2 to formate2023

    • 著者名/発表者名
      楊 自遠、馮 忠宝、阿布 里提、官 国清
    • 学会等名
      化学工学会第88年会、東京農工大学、2023年3月15-17日
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Development of electrocatalysts for the reduction of carbon dioxide to formic acid2022

    • 著者名/発表者名
      Guoqing Guan
    • 学会等名
      The 14th Global Chinese Chemical Engineers Symposium (GCCES-14), Guangzhou, China (on-line)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] フッ素ドープした水酸化インジウム触媒を用いた二酸化炭素の電気化学還元2022

    • 著者名/発表者名
      官 国清、 安小偉、 楊 自遠、 阿布 里提
    • 学会等名
      化学工学会第53回秋季大会, 2022年9月14日(水)~16日(金)、信州大学長野(工学)キャンパス
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi