| 研究課題/領域番号 |
18K04737
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| 研究機関 | 福岡大学 |
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研究代表者 |
吉原 直記 福岡大学, 工学部, 助教 (90708869)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 電極材料 / 電気化学還元 / 金属積層 / 二酸化炭素 / 表面 |
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| 研究実績の概要 |
二酸化炭素の電気化学還元反応は、電極となる金属種によって生成物組成が決定されるため既報にない新たな物質は生成されない。本研究では、電極となる金属表面での二酸化炭素の吸着力がこの反応における生成物選択性に関わる因子になることに着目し、異種金属の原子膜を積層させた金属原子膜積層電極を作製し、この電極上にて新たな二酸化炭素転換メカニズムを実現させることを目指している。
令和二年度は、積層電極表面での自然酸化膜の膜厚が二酸化炭素還元の性能に与える影響について調査した。同一厚さの自然酸化膜を有した銅箔表面にエッチング処理によって、この自然酸化膜(酸化銅)の膜厚が異なる銅箔を作製し、その表面にて二酸化炭素の電気化学還元反応を発生させたところ、自然酸化膜の膜厚の違いによって二酸化炭素の活性が大きく異なることを明らかにした。特に活性向上が確認された酸化膜厚条件では、自然酸化膜を完全に除去した金属銅表面と比較しても二酸化炭素還元の性能がより高くなった。しかしながら、銅箔が構成する結晶構造によっては、必ずしもこの酸化膜厚による二酸化炭素還元の活性向上は発現されないことも分かった。特に、この酸化膜厚による活性向上の効果が期待できる銅結晶構造はCu(111)であった。
自然酸化膜を表面に有する電極は、電気化学還元開始時に最表面だけが金属銅に還元され、金属銅-酸化銅(自然酸化膜)-金属銅という積層構造が形成され、このときの積層構造条件によって電極表面での二酸化炭素の吸着力が変動した結果、積層構造が最適化された電極上では二酸化炭素から炭化水素への転換効率が向上したと考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
銅と異種金属の原子層を積層させるという着想のもと、独自の電着手法を用いて数種類の積層電極を作製し、これまでに銅とニッケルの金属原子膜積層電極により、二酸化炭素の転換効率が大きく向上することを見出した。しかしながら、生成物選択性を変化させる構造因子を見出すことができていないうえ、コロナ禍によって研究時間が制限されたことによって研究計画どおりに進めることができなかった。これらの理由から、現状本研究はやや遅れていると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究にて開発した銅と異種金属との原子膜積層電極は、その構造によりそれぞれ異なる二酸化炭素の還元メカニズムが発現することが確認されたが、この構造制御によって生成物選択性を変化させるまでには至っていないため、これまでに明らかにした原子膜積層にかかる電着条件の様々なファクターに加え、金属酸化膜の膜厚ファクターを導入させることで、既報にない二酸化炭素還元の新たなメカニズムを発現させる。そして二酸化炭素から様々な炭化水素へ転換できる構造因子を明らかにし、テーラーメイドな二酸化炭素の電気化学還元反応を実現させる計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和二年度はコロナ禍による研究時間の制限により、作製した積層電極の構造の違いによって二酸化炭素の還元メカニズムの変異を見出すという当初の研究計画通りに研究を進めることができなかったため、昨年度に計画していた研究費を全て支出するまでには至らなかった。この繰越金については、令和三年度の原子膜積層電極作製にかかる試薬や結晶構造が統一された金属膜を作製するために必要な結晶支持基板などの費用に充てる。
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