電気化学反応における金属の電極触媒活の起源

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450313
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 堀 善夫 千葉大学, 工学部, 教授 (20114324)
• 研究分担者: 古賀 修 千葉大学, 工学部, 助教授 (60110293)
• キーワード: ニ酸化炭素 / 電気化学還元 / 電極触媒活性 / 白金 / 銅 / 単結晶

研究概要

二酸化炭素を白金電極上で電気化学的に還元すると、吸着CO種を生じる。これは白金電極面上の吸着水素原子が二酸化炭素を活性化するためであり、反応の過電圧は著しく低い。本研究では、火炎溶融法で白金の単結晶を作成し、X線背面反射法によって結晶面を精密に制御した。このような単結晶面を電極として、二酸化炭素の電気化学還元を行った。白金単結晶電極の結晶面として、(111)テラスと(111)ステップから成るものを選んだ。二酸化炭素還元の反応活性は、結晶面の原子配列に大きく依存し、(111)<(997)<(332)<(221)<(11O)<(331)<(11O)の順になった。この順序は、電極面の(111)ステップ密度にほぼ比例している。このことから、二酸化炭素の還元に活性な水素は、ステップの4-foldサイトに吸着しているものであり、これらが低過電圧で二酸化炭素を還元するものと推定された。
二酸化炭素の還元において、銅電極は炭化水素効率よく生成するという特異な活性を有するが、その電極触媒活性は結晶面によって大きく異なる。基本指数面のうちでは、(111)面はメタンの生成がきわだって多く、(100)面はエチレンの生成が多い。エネルギー貯蔵の目的には反応生成物として、メタンより、エチレンやエタノールのような物質が望ましい。そこで本研究では(111)、(100)、(100)の基本指数面のほか、(755)、(533)、(311)、(511)、(210)面を新たに作成し、反応活性を詳細に調べた。その結果全体としては、(100)配列の密度が高いほどエチレン生成に有利であるが、特に3原子列の(100)テラスと1原子列の(111)ステップからなる(511)が、エチレンとエタノールの生成に最も高い活性を示すことが明らかになった。この面の活性を高める活性点の原子レベルでの構造はまだ明らかではないが、さらに検討を続ける予定である。

研究成果

• [文献書誌] N.Hoshi: "Structural effect on the Rate of CO_2 Reduction on Single Crystal Electrodes of Palladium." J.Electroanal.Chem.,. 421. 15-18 (1997)
• [文献書誌] Y.Hori: "Electrochemical reduction of CO at a Copper Electrode." J.Phys.Chem.B. 101(36). 7075-7081 (1997)
• [文献書誌] N.Hoshi: "Catalytic activity of C0_2 reduction rate on Pt single crystal electrodes;Pt(S)-[n(111)x(111)],Pt(S)-[n(111)x(100)]and Pt(S)-[n(100)x(111)]." J.Phys.Chem.B. 101(42). 8520-8524 (1997)
• [文献書誌] N.Hoshi: "Electrochemical Reduction of CO_2 on Single Crystal Electrodes of Silver;Ag(111),Ag(100)and Ag(110)." J.Electroanal.Chem.,. 440. 283-286 (1997)
• [文献書誌] O.Koga: "Infrared Spectroscopic Observation of Intermediate Species on Ni and Fe Electrodes in the Electrochemical Reduction of CO_2 and CO to Hydrocarbons." Bull.Chem.Soc.Jpn.71. 315-320 (1998)
• [文献書誌] O.Koga: "Charge Displacement Adsorption of Carbon Monoxide on[110]Zone Copper Single Crystal Electrodes in Relation with PZC." Electrochim.Acta.,in press. (1998)