JP6974731B2 - Compounds, adsorbents and their manufacturing methods, carbon dioxide reducing electrodes, and carbon dioxide reducing devices - Google Patents
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Description
本発明は、化合物、吸着剤及びその製造方法、二酸化炭素還元用電極、並びに二酸化炭素還元装置に関する。 The present invention relates to a compound, an adsorbent and a method for producing the same, a carbon dioxide reducing electrode, and a carbon dioxide reducing device.
地球温暖化が認知されて以来、産業活動に伴って大気中に排出される二酸化炭素を如何に削減するかが重要な課題となっている。 Since the recognition of global warming, how to reduce the carbon dioxide emitted into the atmosphere due to industrial activities has become an important issue.
大気中の二酸化炭素を減少させる方法として、人工光合成の技術が、近年、注目を集めている。人工光合成の技術は、太陽光のエネルギーによって二酸化炭素を還元し、利用可能な有機化合物に変換する技術である。人工光合成では、電解液の入った槽中で、アノードに置いた光励起材料に太陽光を照射することで電子とプロトンとを発生させる。そして、発生した電子とプロトンとをカソードに置いた還元触媒に送り、二酸化炭素と反応させることで、一酸化炭素や有機化合物を生成する。この際のカソード側の反応は、一種の電解還元であり、カソードの触媒上では、二酸化炭素が、2つの電子及び2つのプロトンと段階的に反応して、ギ酸ないし一酸化炭素、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンと、有用性の高い物質へと還元されていく。 Artificial photosynthesis technology has been attracting attention in recent years as a method for reducing carbon dioxide in the atmosphere. Artificial photosynthesis technology is a technology that reduces carbon dioxide by the energy of sunlight and converts it into usable organic compounds. In artificial photosynthesis, electrons and protons are generated by irradiating a photoexcited material placed on an anode with sunlight in a tank containing an electrolytic solution. Then, the generated electrons and protons are sent to a reduction catalyst placed on the cathode and reacted with carbon dioxide to generate carbon monoxide and an organic compound. The reaction on the cathode side at this time is a kind of electrolytic reduction, and on the catalyst of the cathode, carbon dioxide reacts stepwise with two electrons and two protons to formmic acid or carbon monoxide, formaldehyde, and methanol. , Methan and is reduced to highly useful substances.
電解還元の一般的な方法では、作用極、対極、及び槽を有する電気化学セルを用いる(例えば、特許文献1参照)。 In a general method of electrolytic reduction, an electrochemical cell having a working electrode, a counter electrode, and a tank is used (see, for example, Patent Document 1).
二酸化炭素の電解還元においては、触媒を兼ねる電極上に二酸化炭素を保持すること、及び反応場へプロトンを供給することが、反応の効率を高める上で重要になってくる。
しかし、従来の技術では、電極上への二酸化炭素の保持の点、及び反応場へのプロトンの供給の点で、十分であるとはいえない。
In the electrolytic reduction of carbon dioxide, it is important to retain carbon dioxide on an electrode that also serves as a catalyst and to supply protons to the reaction field in order to improve the efficiency of the reaction.
However, the conventional technique is not sufficient in terms of retaining carbon dioxide on the electrode and supplying protons to the reaction field.
本発明は、二酸化炭素の電解還元において有用な化合物、二酸化炭素の保持性に優れ、かつ導電性にも優れる吸着剤及びその製造方法、並びに前記吸着剤を用い、二酸化炭素を効率的に還元可能な二酸化炭素還元用電極、及び二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。 The present invention can efficiently reduce carbon dioxide by using a compound useful for electrolytic reduction of carbon dioxide, an adsorbent having excellent carbon dioxide retention and conductivity and a method for producing the same, and the adsorbent. It is an object of the present invention to provide a carbon dioxide reducing electrode and a carbon dioxide reducing device.
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
1つの態様では、化合物は、下記一般式(1)で表される。
In one embodiment, the compound is represented by the following general formula (1).
また、1つの態様では、吸着剤は、
中心金属と、前記中心金属に配位する配位子とを有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、前記一般式(1)で表される。
Also, in one embodiment, the adsorbent is
A porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
The ligand is represented by the general formula (1).
また、1つの態様では、吸着剤の製造方法は、金属塩と、前記金属塩の金属と結合可能な配位子と、水とを混合して得られた混合液を、加熱することを含み、前記配位子が前記一般式(1)で表される。 Further, in one embodiment, the method for producing an adsorbent comprises heating a mixed solution obtained by mixing a metal salt, a ligand capable of binding to a metal of the metal salt, and water. , The ligand is represented by the general formula (1).
また、1つの態様では、二酸化炭素還元用電極は、
二酸化炭素を還元可能な金属を有する金属含有部材と、
前記金属含有部材の表面に、吸着剤とを有し、
前記吸着剤が、中心金属と、前記中心金属に配位する配位子とを有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、前記一般式(1)で表される。
Further, in one embodiment, the carbon dioxide reducing electrode is
A metal-containing member having a metal capable of reducing carbon dioxide, and
Having an adsorbent on the surface of the metal-containing member,
The adsorbent is a porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
The ligand is represented by the general formula (1).
また、1つの態様では、二酸化炭素還元装置は、
二酸化炭素還元用電極をカソード側の電極として有する二酸化炭素還元装置であって、
前記二酸化炭素還元用電極が、二酸化炭素を還元可能な金属を有する金属含有部材と、前記金属含有部材の表面に、吸着剤とを有し、
前記吸着剤が、中心金属と、前記中心金属に配位する配位子とを有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、前記一般式(1)で表される。
Also, in one embodiment, the carbon dioxide reduction device is
A carbon dioxide reducing device having a carbon dioxide reducing electrode as an electrode on the cathode side.
The carbon dioxide reducing electrode has a metal-containing member having a metal capable of reducing carbon dioxide, and an adsorbent on the surface of the metal-containing member.
The adsorbent is a porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
The ligand is represented by the general formula (1).
本発明の化合物によれば、従来における前記諸問題を解決することができ、二酸化炭素の電解還元において有用な化合物を提供できる。
本発明の吸着剤によれば、従来における前記諸問題を解決することができ、二酸化炭素の保持性に優れ、かつ導電性にも優れる吸着剤を提供できる。
本発明の吸着剤の製造方法によれば、従来における前記諸問題を解決することができ、二酸化炭素の保持性に優れ、かつ導電性にも優れる吸着剤の製造方法を提供できる。
本発明の二酸化炭素還元用電極によれば、従来における前記諸問題を解決することができ、二酸化炭素を効率的に還元可能な二酸化炭素還元用電極を提供できる。
本発明の二酸化炭素還元装置によれば、従来における前記諸問題を解決することができ、二酸化炭素を効率的に還元可能な二酸化炭素還元装置を提供できる。
According to the compound of the present invention, the above-mentioned problems in the prior art can be solved, and a compound useful for electrolytic reduction of carbon dioxide can be provided.
According to the adsorbent of the present invention, it is possible to solve the above-mentioned problems in the past, and to provide an adsorbent having excellent carbon dioxide retention and conductivity.
According to the method for producing an adsorbent of the present invention, it is possible to solve the above-mentioned problems in the past, and to provide a method for producing an adsorbent having excellent carbon dioxide retention and conductivity.
According to the carbon dioxide reducing electrode of the present invention, the above-mentioned problems in the prior art can be solved, and a carbon dioxide reducing electrode capable of efficiently reducing carbon dioxide can be provided.
According to the carbon dioxide reducing device of the present invention, it is possible to solve the above-mentioned problems in the prior art and provide a carbon dioxide reducing device capable of efficiently reducing carbon dioxide.
(化合物)
開示の化合物は、下記一般式(1)で表される。
The disclosed compound is represented by the following general formula (1).
二酸化炭素の電解還元においては、触媒を兼ねる電極上に二酸化炭素を保持すること、及び反応場へプロトンを供給することが、反応の効率を高める上で重要になってくる。
本発明者らは、吸着剤を用いて二酸化炭素を保持し、その細孔内や細孔近傍を反応の場とすることが有効であると考えた。吸着量の大きい吸着剤を電極上に配置すれば、そこに二酸化炭素を吸着又は保持した状態で二酸化炭素を電解でき、還元反応の高効率化が期待できるためである。
本発明者らは、吸着性能の高い多孔性金属錯体に着目した。多孔性金属錯体として代表的な、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸を配位子とするM2(dobdc)(M=Ni,Mg,Co等)は、二酸化炭素を大量、選択的に吸着し、さらに触媒活性点となり得るオープンメタルサイトを有することから好適であると期待される。しかし、これをはじめとした多くの多孔性金属錯体は、電子及びプロトンを細孔内に伝達させるのが困難である。
In the electrolytic reduction of carbon dioxide, it is important to retain carbon dioxide on an electrode that also serves as a catalyst and to supply protons to the reaction field in order to improve the efficiency of the reaction.
The present inventors considered that it is effective to retain carbon dioxide using an adsorbent and use the inside of the pores or the vicinity of the pores as a reaction field. This is because if an adsorbent having a large adsorption amount is placed on the electrode, carbon dioxide can be electrolyzed in a state where carbon dioxide is adsorbed or retained, and high efficiency of the reduction reaction can be expected.
The present inventors have focused on a porous metal complex having high adsorption performance. Representative as the porous metal complex, M 2 for the 2,5-dihydroxy terephthalic acid as a ligand (dobdc) (M = Ni, Mg, Co , etc.), carbon dioxide mass, selectively adsorbs, Further, it is expected to be suitable because it has an open metal site that can be a catalytic activity point. However, in many porous metal complexes such as this, it is difficult to transfer electrons and protons into the pores.
そこで、本発明者らは、二酸化炭素吸着能と電子伝導、及びプロトン伝導に優れた多孔性金属錯体を得るために、検討を重ね、前記一般式(1)で表される化合物を見出した。
前記一般式(1)で表される化合物は、カルボキシ基及びヒドロキシ基を有し、金属に配位可能である。前記一般式(1)で表される化合物は、化合物の末端の三方に、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸と同様に、芳香族炭化水素環に結合する2対のカルボキシ基及びヒドロキシ基を有し、それらは芳香族炭化水素環における隣接する2つの炭素原子にそれぞれ結合している。そのため、前記一般式(1)で表される化合物は、中心金属に配位した場合に、M2(dobdc)と同様に、多孔性構造を形成できる。
Therefore, the present inventors have conducted repeated studies in order to obtain a porous metal complex having excellent carbon dioxide adsorption ability, electron conduction, and proton conduction, and have found a compound represented by the general formula (1).
The compound represented by the general formula (1) has a carboxy group and a hydroxy group, and can be coordinated to a metal. The compound represented by the general formula (1) has two pairs of carboxy groups and hydroxy groups bonded to an aromatic hydrocarbon ring on three sides of the terminal of the compound, similar to 2,5-dihydroxyterephthalic acid. , They are attached to two adjacent carbon atoms in the aromatic hydrocarbon ring, respectively. Therefore, the compound represented by the general formula (1) can form a porous structure in the same manner as M 2 (dobdc) when coordinated to the central metal.
更に、前記一般式(1)で表される化合物は、塩基性のイミダゾール環をこの化合物の分子内に有している。塩基性のイミダゾール環は、二酸化炭素との親和性が高く、かつイミダゾール環の窒素原子部位は水素結合を形成しやすく、プロトンの伝導の向上に寄与する。
そのため、前記一般式(1)で表される化合物を配位子とした多孔性金属錯体は、細孔内に塩基性基を有するために、細孔内に二酸化炭素を保持しやすく、かつ多電子還元に必要なプロトンの伝達をより効率的に行える。
Further, the compound represented by the general formula (1) has a basic imidazole ring in the molecule of this compound. The basic imidazole ring has a high affinity for carbon dioxide, and the nitrogen atom site of the imidazole ring easily forms a hydrogen bond, which contributes to the improvement of proton conduction.
Therefore, since the porous metal complex having the compound represented by the general formula (1) as a ligand has a basic group in the pores, it is easy to retain carbon dioxide in the pores and a large amount of carbon dioxide is retained. The transfer of protons required for electron reduction can be performed more efficiently.
更に、前記一般式(1)で表される化合物は、π共役系が平面的に広がったトリフェニレン骨格を化合物の中心部に有している。π共役系が平面的に広がったトリフェニレン骨格は、π電子が非局在化していることから、導電性の向上に寄与する。
そのため、前記一般式(1)で表される化合物を配位子とした多孔性金属錯体は、トリフェニレン骨格部分に存在するπ電子が、トリフェニレン骨格分子間で相互作用(π−πスタッキング)し、細孔内において電子伝導パスを形成する。その結果として、導電性を高めることができ、電子伝達をより効率的に行える。
Further, the compound represented by the general formula (1) has a triphenylene skeleton in which a π-conjugated system is spread in a plane at the center of the compound. The triphenylene skeleton in which the π-conjugated system spreads in a plane contributes to the improvement of conductivity because the π electrons are delocalized.
Therefore, in the porous metal complex using the compound represented by the general formula (1) as a ligand, the π electrons existing in the triphenylene skeleton portion interact (π-π stacking) between the triphenylene skeleton molecules. Form an electron conduction path in the pores. As a result, conductivity can be enhanced and electron transfer can be performed more efficiently.
Ar1、Ar2、及びAr3における芳香族炭化水素環に置換できる炭素数1〜4のアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、t−ブチル基などが挙げられる。 Examples of the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms that can be substituted for the aromatic hydrocarbon ring in Ar 1 , Ar 2 , and Ar 3 include a methyl group, an ethyl group, an n-propyl group, an i-propyl group, and n-butyl. Groups, i-butyl groups, t-butyl groups and the like can be mentioned.
前記芳香族炭化水素環としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環などが挙げられる。 Examples of the aromatic hydrocarbon ring include a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring and the like.
<化合物の製造方法>
前記一般式(1)で表される化合物の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヘキサアミノトリフェニレン(HATP)と下記一般式(11)で表される化合物とを反応させる方法などが挙げられる。ヘキサアミノトリフェニレンと下記一般式(11)で表される化合物との反応は、ヘキサアミノトリフェニレンの隣接した2つのアミノ基と、前記一般式(11)のアルデヒド基とが酸素存在下で脱水縮合してイミダゾール環を形成する反応である。
The method for producing the compound represented by the general formula (1) is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, hexaaminotriphenylene (HATP) and the following general formula (11) are used. Examples thereof include a method of reacting with the compound to be produced. In the reaction between hexaaminotriphenylene and the compound represented by the following general formula (11), two adjacent amino groups of hexaaminotriphenylene and the aldehyde group of the general formula (11) are dehydrated and condensed in the presence of oxygen. It is a reaction to form an imidazole ring.
(吸着剤)
開示の吸着剤は、中心金属と、配位子とを含有し、更に必要に応じて、その他の成分を含有する。
前記吸着剤は、多孔質である。
前記吸着剤は、いわゆる多孔性金属錯体である。
前記多孔性金属錯体とは、金属イオンと、アニオン性配位子とを含有する多孔性材料である。前記多孔性金属錯体(MOF)は、多孔性配位高分子(PCP)とも呼ばれることがある。
(Adsorbent)
The disclosed adsorbent contains a central metal, a ligand, and, if necessary, other components.
The adsorbent is porous.
The adsorbent is a so-called porous metal complex.
The porous metal complex is a porous material containing a metal ion and an anionic ligand. The porous metal complex (MOF) may also be referred to as a porous coordination polymer (PCP).
<中心金属>
中心金属としては、例えば、チタン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム、銅、亜鉛、アルミニウム、ジルコニウムなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<Central metal>
Examples of the central metal include titanium, manganese, iron, cobalt, nickel, magnesium, copper, zinc, aluminum, zirconium and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
<配位子>
配位子は、中心金属に配位する。
配位子は、前記一般式(1)で表される化合物である。
<Ligand>
The ligand coordinates to the central metal.
The ligand is a compound represented by the general formula (1).
<その他の成分>
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、プロトン伝導性物質などが挙げられる。
プロトン伝導性物質は、形成された多孔性金属錯体の細孔内に挿入し、配位子のイミダゾール環と水素結合をする物質である。プロトン伝導性物質は、細孔内で配位子のイミダゾール環と水素結合をして、水素結合パスを形成することから、吸着剤のプロトン伝導性を向上できる。
プロトン伝導性物質としては、例えば、イミダゾール誘導体、ヒドロキシ基、カルボキシル基、スルホ基、若しくはアミノ基を官能基として有する低分子又は高分子、イオン液体、ナフィオン(登録商標)分散液などが挙げられる。
<Other ingredients>
The other components are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include proton conductive substances.
The proton conductive substance is a substance that is inserted into the pores of the formed porous metal complex and forms a hydrogen bond with the imidazole ring of the ligand. Since the proton conductive substance forms a hydrogen bond path by forming a hydrogen bond with the imidazole ring of the ligand in the pores, the proton conductivity of the adsorbent can be improved.
Examples of the proton conductive substance include an imidazole derivative, a low molecular weight or polymer having a hydroxy group, a carboxyl group, a sulfo group, or an amino group as a functional group, an ionic liquid, a Nafion® dispersion liquid, and the like.
(吸着剤の製造方法)
吸着剤の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、一般的な多孔性金属錯体の製造方法を参照することができる。一般的な多孔性金属錯体の製造方法としては、例えば、中心金属の金属塩と、配位子と、水と、を含有する混合液を加熱する方法などが挙げられる。
混合液を加熱する方法としては、密閉容器に混合液を入れ加熱する方法であるソルボサーマル法の一種である水熱合成法が好ましい。
(Manufacturing method of adsorbent)
The method for producing the adsorbent is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, and a general method for producing a porous metal complex can be referred to. Examples of a general method for producing a porous metal complex include a method of heating a mixed solution containing a metal salt of a central metal, a ligand, and water.
As a method for heating the mixed solution, a hydrothermal synthesis method, which is a kind of solvothermal method in which the mixed solution is placed in a closed container and heated, is preferable.
混合液は、中心金属の金属塩と、配位子と、水とを含有し、更に必要に応じて有機溶媒などその他の成分を含有する。
中心金属の金属塩とは、多孔性金属錯体の中心金属の金属塩であり、中心金属は上述のものである。金属塩の対イオンとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択でき、例えば、硝酸イオン、酢酸イオンなどが挙げられる。
配位子は、中心金属に配位し、前記一般式(1)で表される。
有機溶媒としては、配位子を溶解させることができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択でき、例えば、ジメチルホルムアミド(DMF)、エタノールなどが挙げられる。
混合液における金属塩と配位子との割合は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、物質量比で金属塩:配位子=1:3程度が好ましい。
The mixed solution contains a metal salt of the central metal, a ligand, water, and if necessary, other components such as an organic solvent.
The metal salt of the central metal is a metal salt of the central metal of the porous metal complex, and the central metal is the above-mentioned one. The counterion of the metal salt is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include nitrate ion and acetate ion.
The ligand is coordinated to the central metal and is represented by the general formula (1).
The organic solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the ligand, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include dimethylformamide (DMF) and ethanol.
The ratio of the metal salt to the ligand in the mixed solution is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but the metal salt: ligand = 1: 3 is preferable in terms of the amount of substance ratio.
混合液の加熱温度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、100℃〜110℃が好ましい。
混合液の加熱時間としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、3日間〜4日間が好ましい。
The heating temperature of the mixed solution is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 100 ° C to 110 ° C.
The heating time of the mixed solution is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 3 to 4 days.
(二酸化炭素還元用電極)
開示の二酸化炭素還元用電極は、金属含有部材と、吸着剤とを少なくとも有し、更に必要に応じてその他の部材を有する。
(Electrode for carbon dioxide reduction)
The disclosed carbon dioxide reducing electrode has at least a metal-containing member and an adsorbent, and further has other members as needed.
<金属含有部材>
前記金属含有部材としては、その表面に二酸化炭素を還元可能な金属を有する部材であれば、その材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記金属含有部材を用いた二酸化炭素の還元は、通常、前記金属含有部材に通電された際に起こる。前記還元により、二酸化炭素は、ギ酸ないし一酸化炭素、ホルムアルデヒド、メタノール、メタンと、有用性の高い物質へと変化する。
<Metal-containing material>
The metal-containing member is not particularly limited in its material, shape, size, and structure as long as it has a metal capable of reducing carbon dioxide on its surface, and may be appropriately selected according to the purpose. can.
The reduction of carbon dioxide using the metal-containing member usually occurs when the metal-containing member is energized. By the reduction, carbon dioxide is transformed into formic acid or carbon monoxide, formaldehyde, methanol, and methane, which are highly useful substances.
前記金属としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、二酸化炭素を多電子還元する能力の点で、銅、銀、金、亜鉛、インジウムが好ましい。 The metal is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but copper, silver, gold, zinc and indium are preferable in terms of the ability to reduce carbon dioxide with multiple electrons.
前記金属含有部材の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状などが挙げられる。 The shape of the metal-containing member is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a flat plate shape.
前記金属含有部材の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、それ自体が二酸化炭素を還元可能な金属で構成されていてもよいし、芯材表面に、二酸化炭素を還元可能な金属の薄膜が配された構造であってもよい。
前記芯材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属製芯材、樹脂製芯材、ガラス製芯材などが挙げられる。前記金属製芯材は、二酸化炭素を還元可能な金属であってもよいし、二酸化炭素を還元可能な金属でなくてもよい。
前記薄膜としては、例えば、メッキ膜、スパッタ膜などが挙げられる。
The structure of the metal-containing member is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. It may be composed of a metal capable of reducing carbon dioxide itself, or carbon dioxide may be formed on the surface of the core material. It may have a structure in which a thin film of a metal capable of reducing carbon is arranged.
The core material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a metal core material, a resin core material, and a glass core material. The metal core material may be a metal capable of reducing carbon dioxide, or may not be a metal capable of reducing carbon dioxide.
Examples of the thin film include a plating film and a sputter film.
<吸着剤>
前記吸着剤は、開示の前記吸着剤である。
前記吸着剤は、前記金属含有部材の表面に配される。
<Adsorbent>
The adsorbent is the disclosed adsorbent.
The adsorbent is arranged on the surface of the metal-containing member.
ここで、前記二酸化炭素還元用電極の一例を図を用いて説明する。
図1は、二酸化炭素還元用電極1の断面模式図である。図1の二酸化炭素還元用電極1は、金属含有部材2の表面に吸着剤3が層状に配置されている。
Here, an example of the carbon dioxide reducing electrode will be described with reference to the figure.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the carbon
前記吸着剤は、プロトン伝導性に優れている。そのような吸着剤が前記金属含有部材の表面に配されていることにより、プロトン(例えば、水の分解により生じたプロトン)が前記吸着剤の反応場である細孔内又は細孔近傍へ伝達される。
また、前記吸着剤は、二酸化炭素の吸着性に優れている。そのため、前記二酸化炭素還元用電極は、細孔内等に二酸化炭素を多量に吸着、保持できる。
The adsorbent has excellent proton conductivity. By arranging such an adsorbent on the surface of the metal-containing member, protons (for example, protons generated by decomposition of water) are transmitted into or near the pores, which are the reaction fields of the adsorbent. Will be done.
In addition, the adsorbent is excellent in carbon dioxide adsorbability. Therefore, the carbon dioxide reducing electrode can adsorb and retain a large amount of carbon dioxide in the pores and the like.
前記吸着剤を、前記金属含有部材の表面に配する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記吸着剤を含有する塗布物を前記金属含有部材に塗布する方法、前記吸着剤自体を前記金属含有部材に吹き付ける方法などが挙げられる。 The method of arranging the adsorbent on the surface of the metal-containing member is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a coating material containing the adsorbent may be applied to the metal-containing member. Examples thereof include a method of applying the adsorbent and a method of spraying the adsorbent itself onto the metal-containing member.
前記塗布する方法に使用する前記塗布物は、前記吸着剤と、接着成分とを少なくとも含有し、更に必要に応じて、その他の成分を含有する。
前記接着成分は、導電性を有することが好ましい。そのような成分としては、例えば、カーボンペースト、導電性樹脂などが挙げられる。
前記塗布物における、前記吸着剤と、前記接着成分との割合としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
The coating material used in the coating method contains at least the adsorbent and an adhesive component, and further contains other components, if necessary.
The adhesive component preferably has conductivity. Examples of such a component include carbon paste, conductive resin and the like.
The ratio of the adsorbent to the adhesive component in the coated material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
前記吹き付ける方法としては、例えば、エアロゾルデポジションなどが挙げられる。 Examples of the spraying method include aerosol deposition and the like.
(二酸化炭素還元装置)
開示の二酸化炭素還元装置は、二酸化炭素還元用電極をカソード側の電極として有する。
(Carbon dioxide reduction device)
The disclosed carbon dioxide reducing device has a carbon dioxide reducing electrode as an electrode on the cathode side.
前記二酸化炭素還元装置の反応の一例を以下に示す。
前記二酸化炭素還元装置のアノード側では、例えば、アノード電極に照射された光エネルギーを利用して、以下に示す水の分解が生じる。
H2O → 1/2O2 + 2H+ +2e−
一方、前記二酸化炭素還元装置のカソード側では、例えば、以下に示す二酸化炭素の還元が生じる。
CO2 + 2H+ + 2e− → HCOOH
トータルの反応式としては、例えば、以下のようになる。
H2O + CO2 → HCOOH + 1/2O2
生成するギ酸は、例えば、濃縮され回収される。
An example of the reaction of the carbon dioxide reduction device is shown below.
On the anode side of the carbon dioxide reduction device, for example, the light energy applied to the anode electrode is used to cause the following decomposition of water.
H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e −
On the other hand, on the cathode side of the carbon dioxide reducing device, for example, the following carbon dioxide reduction occurs.
CO 2 + 2H + + 2e - → HCOOH
The total reaction formula is, for example, as follows.
H 2 O + CO 2 → HCOOH + 1 / 2O 2
The formic acid produced is, for example, concentrated and recovered.
<第一の態様>
開示の二酸化炭素還元装置の第一の態様は、二酸化炭素還元用電極をカソード側の電極として有し、更に必要に応じて、カソード槽、アノード槽、プロトン透過膜などのその他の部材を有する。
前記二酸化炭素還元用電極は、開示の前記二酸化炭素還元用電極である。
<First aspect>
The first aspect of the disclosed carbon dioxide reduction apparatus has a carbon dioxide reduction electrode as a cathode side electrode, and further has other members such as a cathode tank, an anode tank, and a proton permeable film, if necessary.
The carbon dioxide reduction electrode is the disclosed carbon dioxide reduction electrode.
<<カソード槽>>
前記カソード槽は、前記二酸化炭素還元用電極を備える。
<< Cathode tank >>
The cathode tank includes the carbon dioxide reducing electrode.
<<アノード槽>>
前記アノード槽は、アノード電極を有し、更に必要に応じて、その他の部を有する。
アノード電極及びカソード電極に対して外部電源を用いて通電して行う通常の電解還元における前記アノード電極の材質としては、例えば、Ptなどが挙げられる。
一方、アノード電極に光を照射して行う二酸化炭素の電解還元(所謂人工光合成)における前記アノード電極の材質としては、例えば、水の酸化分解が可能な光励起材料や多接合半導体などが挙げられる。前記光励起材料としては、例えば、窒化物半導体層を具備するアノード電極などが挙げられる。
<< Anode tank >>
The anode tank has an anode electrode and, if necessary, other parts.
Examples of the material of the anode electrode in the normal electrolytic reduction performed by energizing the anode electrode and the cathode electrode using an external power source include Pt and the like.
On the other hand, examples of the material of the anode electrode in the electrolytic reduction of carbon dioxide (so-called artificial photosynthesis) performed by irradiating the anode electrode with light include a photoexcited material capable of oxidative decomposition of water and a multi-junction semiconductor. Examples of the photoexcited material include an anode electrode provided with a nitride semiconductor layer.
<<プロトン透過膜>>
前記プロトン透過膜は、前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれている。
前記プロトン透過膜は、前記カソード槽内の電解液と、前記アノード槽内の電解液とが混合することを防ぐ。
<< Proton Permeation Membrane >>
The proton permeable membrane is sandwiched between the cathode tank and the anode tank.
The proton permeable membrane prevents the electrolytic solution in the cathode tank from mixing with the electrolytic solution in the anode tank.
前記プロトン透過膜は、ほぼプロトンのみがプロトン透過膜を通過し、かつ他の物質がプロトン透過膜を通過できないものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ナフィオン(登録商標)などが挙げられる。
なお、ナフィオンは、炭素−フッ素からなる疎水性テフロン(登録商標)骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料である。具体的には、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ[2−(フルオロスルフォニルエトキシ)プロピルビニルエーテル]との共重合体である。
The proton permeable membrane is not particularly limited as long as only protons pass through the proton permeable membrane and other substances cannot pass through the proton permeable membrane, and can be appropriately selected depending on the intended purpose, for example. , Nafion (registered trademark) and the like.
Nafion is a perfluorocarbon material composed of a hydrophobic Teflon (registered trademark) skeleton composed of carbon-fluorine and a perfluoro side chain having a sulfonic acid group. Specifically, it is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro [2- (fluorosulfonylethoxy) propyl vinyl ether].
<<その他の部材>>
前記その他の部材としては、例えば、第1電解液、第2電解液、二酸化炭素供給部材、電源、光源などが挙げられる。
<< Other parts >>
Examples of the other members include a first electrolytic solution, a second electrolytic solution, a carbon dioxide supply member, a power source, a light source, and the like.
−第1電解液−
前記第1電解液は、前記カソード槽内に収容される。
前記第1電解液としては、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液などが挙げられる。
-First electrolytic solution-
The first electrolytic solution is housed in the cathode tank.
Examples of the first electrolytic solution include an aqueous solution of potassium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium sulfate, an aqueous solution of potassium chloride, and an aqueous solution of sodium chloride.
前記第1電解液における電解質の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.2mol/L以上が好ましく、1mol/L以上がより好ましい。 The concentration of the electrolyte in the first electrolytic solution is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 0.2 mol / L or more, and more preferably 1 mol / L or more.
−第2電解液−
前記第2電解液は、前記アノード槽内に収容される。
前記第2電解液としては、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液などが挙げられる。
-Second electrolyte-
The second electrolytic solution is housed in the anode tank.
Examples of the second electrolytic solution include an aqueous solution of potassium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium sulfate, and an aqueous solution of sodium hydroxide.
前記第2電解液における電解質の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.2mol/L以上が好ましく、1mol/L以上がより好ましい。 The concentration of the electrolyte in the second electrolytic solution is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 0.2 mol / L or more, more preferably 1 mol / L or more.
−二酸化炭素供給部材−
前記二酸化炭素供給部材としては、前記カソード槽に二酸化炭素を供給する部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Carbon dioxide supply member-
The carbon dioxide supply member is not particularly limited as long as it is a member that supplies carbon dioxide to the cathode tank, and can be appropriately selected depending on the intended purpose.
−電源−
前記電源としては、直流電流を印加可能な部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Power supply-
The power source is not particularly limited as long as it is a member to which a direct current can be applied, and can be appropriately selected depending on the intended purpose.
−光源−
前記光源としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、キセノンランプなどが挙げられる。
前記光源は、アノード電極に光を照射して行う二酸化炭素の電解還元(所謂人工光合成)において、前記アノード電極に光を照射するために用いられる。
-Light source-
The light source is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a xenon lamp.
The light source is used to irradiate the anode electrode with light in electrolytic reduction of carbon dioxide (so-called artificial photosynthesis) performed by irradiating the anode electrode with light.
ここで、開示の二酸化炭素還元装置の第一の態様の一例を図を用いて説明する。
図2は、二酸化炭素還元装置100Aの断面模式図である。
図2の二酸化炭素還元装置100Aは、カソード槽110と、アノード槽120と、プロトン透過膜130と、二酸化炭素供給部材140と、定電圧電源装置150と、参照電極160とを有する。
カソード槽110とアノード槽120との間には、プロトン透過膜130が挟まれている。
カソード槽110には、第1電解液112が収容されている。そして、カソード槽110内において、二酸化炭素還元用電極1と、参照電極160とが、第1電解液112に浸されている。
アノード槽120には、第2電解液122が収容されている。そして、アノード槽120内において、アノード電極121が、第2電解液122に浸されている。
Here, an example of the first aspect of the disclosed carbon dioxide reduction apparatus will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the carbon
The carbon
A proton
The
The second
二酸化炭素供給部材140は、例えば、中空の棒状部材であり、その一方の先端が第1電解液112に浸っており、第1電解液112に二酸化炭素を供給する。
そのため、第1電解液112には二酸化炭素が溶解している。
The carbon
Therefore, carbon dioxide is dissolved in the first
二酸化炭素還元装置100Aにおいては、定電圧電源装置150により、カソード電極である二酸化炭素還元用電極1と、アノード電極121との間に電圧が印加される。そうすると、アノード側では、水の酸化分解が生じ、一方、カソード側では、二酸化炭素の還元が生じる。カソード側では、吸着剤3の作用により、金属含有部材2の表面に二酸化炭素を保持できる。更に、吸着剤3のプロトン伝導性が高められている。そのため、二酸化炭素の還元を効率的に行うことができる。
In the carbon
図3は、二酸化炭素還元装置100Bの断面模式図である。
図3の二酸化炭素還元装置100Bは、カソード槽110と、アノード槽120と、プロトン透過膜130と、二酸化炭素供給部材140と、光源170とを有する。
カソード槽110とアノード槽120との間には、プロトン透過膜130が挟まれている。
カソード槽110には、第1電解液112が収容されている。そして、カソード槽110内において、二酸化炭素還元用電極1が、第1電解液112に浸されている。
アノード槽120には、第2電解液122が収容されている。そして、アノード槽120内において、アノード電極121が、第2電解液122に浸されている。アノード電極121は、二酸化炭素還元用光化学電極である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the carbon
The carbon
A proton
The
The second
二酸化炭素供給部材140は、例えば、中空の棒状部材であり、その一方の先端が第1電解液112に浸っており、第1電解液112に二酸化炭素を供給する。
そのため、第1電解液112には二酸化炭素が溶解している。
The carbon
Therefore, carbon dioxide is dissolved in the first
二酸化炭素還元装置100Bにおいては、光源170からの光がアノード電極121に照射されたアノード槽120では、水の酸化分解が生じる。その反応によって、導線180により接続されたアノード電極121とカソード電極である二酸化炭素還元用電極1との間に起電力が生じる。その起電力により、カソード側では、二酸化炭素の還元が生じる。カソード側では、吸着剤3の作用により、金属含有部材2の表面に二酸化炭素を保持できる。更に、吸着剤3のプロトン伝導性が高められている。そのため、二酸化炭素の還元を効率的に行うことができる。
In the carbon
<第二の態様>
開示の二酸化炭素還元装置の第二の態様は、アノード電極と、保液膜と、プロトン透過膜と、カソード電極とを有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
<Second aspect>
A second aspect of the disclosed carbon dioxide reduction apparatus has an anode electrode, a liquid retention membrane, a proton permeable membrane, a cathode electrode, and, if necessary, other members.
<<アノード電極>>
前記アノード電極としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
アノード電極及びカソード電極に対して外部電源を用いて通電して行う通常の電解還元における前記アノード電極の材質としては、例えば、Ptなどが挙げられる。
一方、アノード電極に光を照射して行う二酸化炭素の電解還元(所謂人工光合成)における前記アノード電極の材質としては、例えば、水の酸化分解が可能な光励起材料や多接合半導体などが挙げられる。前記光励起材料としては、例えば、窒化物半導体層を具備するアノード電極などが挙げられる。
<< Anode electrode >>
The anode electrode is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
Examples of the material of the anode electrode in the normal electrolytic reduction performed by energizing the anode electrode and the cathode electrode using an external power source include Pt and the like.
On the other hand, examples of the material of the anode electrode in the electrolytic reduction of carbon dioxide (so-called artificial photosynthesis) performed by irradiating the anode electrode with light include a photoexcited material capable of oxidative decomposition of water and a multi-junction semiconductor. Examples of the photoexcited material include an anode electrode provided with a nitride semiconductor layer.
<<保液膜>>
前記保液膜としては、電解液を保持可能であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、層状の吸水材などが挙げられる。前記層状の吸水材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、層状の多孔体などが挙げられる。
前記保液膜としては、市販品を用いることができる。前記市販品としては、例えば、ユニチカ株式会社製の高機能多孔板「ユニベックスSB」などが挙げられる。係る多孔板は、ポリエステル繊維からなる吸水性の多孔板である。
<< Liquid retention membrane >>
The liquid-retaining film is not particularly limited as long as it can hold the electrolytic solution, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a layered water-absorbing material. The layered water-absorbing material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a layered porous body.
As the liquid-retaining film, a commercially available product can be used. Examples of the commercially available product include a high-performance perforated plate "Univex SB" manufactured by Unitika Ltd. The perforated plate is a water-absorbent perforated plate made of polyester fiber.
前記保液膜の形状、大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。 The shape and size of the liquid-retaining film are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
<<プロトン透過膜>>
前記プロトン透過膜は、例えば、前記保液膜と、前記カソード電極との間に挟まれている。
前記プロトン透過膜は、前記保液膜に保持された電解液が、前記カソード電極と接触することを防ぐ。
<< Proton Permeation Membrane >>
The proton permeable membrane is sandwiched between, for example, the liquid retention membrane and the cathode electrode.
The proton permeable membrane prevents the electrolytic solution held by the liquid retaining membrane from coming into contact with the cathode electrode.
前記プロトン透過膜は、ほぼプロトンのみがプロトン透過膜を通過し、かつ他の物質がプロトン透過膜を通過できないものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ナフィオン(登録商標)などが挙げられる。
なお、ナフィオンは、炭素−フッ素からなる疎水性テフロン(登録商標)骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料である。具体的には、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ[2−(フルオロスルフォニルエトキシ)プロピルビニルエーテル]との共重合体である。
The proton permeable membrane is not particularly limited as long as only protons pass through the proton permeable membrane and other substances cannot pass through the proton permeable membrane, and can be appropriately selected depending on the intended purpose, for example. , Nafion (registered trademark) and the like.
Nafion is a perfluorocarbon material composed of a hydrophobic Teflon (registered trademark) skeleton composed of carbon-fluorine and a perfluoro side chain having a sulfonic acid group. Specifically, it is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoro [2- (fluorosulfonylethoxy) propyl vinyl ether].
<<カソード電極>>
前記カソード電極は、開示の前記二酸化炭素還元用電極である。
前記カソード電極において、前記吸着剤は、少なくとも前記プロトン透過膜側の前記金属含有部材の表面に配されることが好ましい。
<< Cathode electrode >>
The cathode electrode is the disclosed carbon dioxide reduction electrode.
In the cathode electrode, the adsorbent is preferably disposed at least on the surface of the metal-containing member on the proton permeable membrane side.
<<その他の部材>>
前記その他の部材としては、例えば、電解液、電源、光源などが挙げられる。
<< Other parts >>
Examples of the other member include an electrolytic solution, a power source, a light source, and the like.
−電解液−
前記電解液は、前記保液膜に保持される。
前記電解液としては、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、硫酸ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液などが挙げられる。
-Electrolytic solution-
The electrolytic solution is held by the liquid retaining film.
Examples of the electrolytic solution include an aqueous solution of potassium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium hydrogen carbonate, an aqueous solution of sodium sulfate, an aqueous solution of potassium chloride, an aqueous solution of sodium chloride, and an aqueous solution of sodium hydroxide.
前記電解液における電解質の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.2mol/L以上が好ましく、1mol/L以上がより好ましく、2mol/L以上が特に好ましい。 The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 0.2 mol / L or more, more preferably 1 mol / L or more, and particularly preferably 2 mol / L or more. preferable.
−電源−
前記電源としては、直流電流を印加可能な部材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
-Power supply-
The power source is not particularly limited as long as it is a member to which a direct current can be applied, and can be appropriately selected depending on the intended purpose.
−光源−
前記光源としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、キセノンランプなどが挙げられる。
前記光源は、アノード電極に光を照射して行う二酸化炭素の電解還元(所謂人工光合成)において、前記アノード電極に光を照射するために用いられる。
-Light source-
The light source is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include a xenon lamp.
The light source is used to irradiate the anode electrode with light in electrolytic reduction of carbon dioxide (so-called artificial photosynthesis) performed by irradiating the anode electrode with light.
ここで、開示の二酸化炭素還元装置の第二の態様の一例を図を用いて説明する。
図4は、二酸化炭素還元装置10Aの断面模式図である。
二酸化炭素還元装置10Aは、アノード電極12と、保液膜13と、プロトン透過膜14と、カソード電極である二酸化炭素還元用電極1とをこの順で有する。更に、定電圧電源装置15を有する。
二酸化炭素還元用電極1においては、金属含有部材2の表面(片面)に吸着剤3が層状に配置されている。
アノード電極12は保液膜13と接しており、保液膜13はプロトン透過膜14と接しており、プロトン透過膜14は二酸化炭素還元用電極1の吸着剤3と接している。
保液膜13には、電解液が保持されている。
Here, an example of the second aspect of the disclosed carbon dioxide reduction device will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the carbon
The carbon
In the carbon
The
The electrolytic solution is held in the
二酸化炭素還元装置10Aにおいては、定電圧電源装置15により、二酸化炭素還元用電極1と、アノード電極12との間に電圧が印加される。そうすると、アノード側では、水の酸化分解が生じ、一方、カソード側では、二酸化炭素の還元が生じる。カソード側では、吸着剤3の作用により、金属含有部材2の表面に二酸化炭素を保持できる。更に、吸着剤3のプロトン伝導性が高められている。そのため、二酸化炭素の還元を効率的に行うことができる。
更に、電解液が保液膜13に保持されているため、電解液への二酸化炭素の溶解、及び電解液への生成物の溶解が少ない。加えて、プロトン透過膜14により、電解液と吸着剤との接触が防がれているため、吸着剤の細孔へ電解液が進入することを防ぐことができる。したがって、反応場への二酸化炭素の供給、及び反応場からの生成物の回収を効率的に行うことができる。
In the carbon
Further, since the electrolytic solution is held in the
図5は、二酸化炭素還元装置10Bの断面模式図である。
二酸化炭素還元装置10Bは、アノード電極12と、保液膜13と、プロトン透過膜14と、カソード電極である二酸化炭素還元用電極1とをこの順で有する。更に、光源16を有する。
二酸化炭素還元用電極1においては、金属含有部材2の表面(片面)に吸着剤3が層状に配置されている。
アノード電極12は保液膜13と接しており、保液膜13はプロトン透過膜14と接しており、プロトン透過膜14は二酸化炭素還元用電極1の吸着剤3と接している。
保液膜13には、電解液が保持されている。
アノード電極12は、二酸化炭素還元用光化学電極である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the carbon
The carbon
In the carbon
The
The electrolytic solution is held in the
The
二酸化炭素還元装置10Bにおいては、光源16からの光がアノード電極12に照射されることで、アノード電極12表面では、水の酸化分解が生じる。その反応によって、導線17により接続されたアノード電極12と二酸化炭素還元用電極1との間に起電力が生じる。その起電力により、カソード側では、二酸化炭素の還元が生じる。カソード側では、吸着剤3の作用により、金属含有部材2の表面に二酸化炭素を保持できる。更に、吸着剤3のプロトン伝導性が高められている。そのため、二酸化炭素の還元を効率的に行うことができる。
更に、電解液が保液膜13に保持されているため、電解液への二酸化炭素の溶解、及び電解液への生成物の溶解が少ない。加えて、プロトン透過膜14により、電解液と吸着剤との接触が防がれているため、吸着剤の細孔へ電解液が進入することを防ぐことができる。したがって、反応場への二酸化炭素の供給、及び反応場からの生成物の回収を効率的に行うことができる。
In the carbon
Further, since the electrolytic solution is held in the
以下、開示の技術について説明するが、開示の技術は下記実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the disclosed technology will be described, but the disclosed technology is not limited to the following examples.
(比較例1)
CO2吸着性能を有する多孔性金属錯体として、Ni2(dobdc)錯体を合成し、評価した。Ni2(dobdc)錯体は、下記構造の化合物を配位子として有する錯体である。
2,5−ジヒドロキシテレフタル酸(下記構造式)のTHF(テトラヒドロフラン)溶液と、酢酸ニッケル四水和物の水溶液とを、1:2(2,5−ジヒドロキシテレフタル酸:酢酸ニッケル四水和物)のモル比で混合し、耐圧容器を用い、110℃で3日間加熱するソルボサーマル法により、黄色粉末であるNi2(dobdc)錯体を得た。合成は、以下の文献を参考にして行った。
<文献>
Liu, J.; Tian, J.; Thallapally, P. K.; McGrail, B. P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 9575−9581.
A Ni 2 (dobdc) complex was synthesized and evaluated as a porous metal complex having CO 2 adsorption performance. The Ni 2 (dobdc) complex is a complex having a compound having the following structure as a ligand.
A THF (tetrahydrogen) solution of 2,5-dihydroxyterephthalic acid (structural formula below) and an aqueous solution of nickel acetate tetrahydrate were mixed at 1: 2 (2,5-dihydroxyterephthalic acid: nickel acetate tetrahydrate). A Ni 2 (dobdc) complex, which is a yellow powder, was obtained by a sorbothermal method in which the mixture was mixed at a molar ratio of 1 and heated at 110 ° C. for 3 days using a pressure resistant container. The synthesis was carried out with reference to the following documents.
<Reference>
Liu, J.M. Tian, J.M. Thallapally, P.M. K. McGrail, B.I. P. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 9575-9581.
得られた粉末試料について、CO2吸着特性をガス/蒸気吸着量測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて測定した結果、図7の吸着等温線が得られた。
また、得られた粉末試料を直径5mm、厚さ0.3mmのペレットに成形し、I−V測定装置(キーサイト社製、B2901A)を用いて電気抵抗率を測定した結果、表1の値を得た。
As a result of measuring the CO 2 adsorption characteristics of the obtained powder sample using a gas / steam adsorption amount measuring device (manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.), the adsorption isotherm of FIG. 7 was obtained.
Further, the obtained powder sample was formed into pellets having a diameter of 5 mm and a thickness of 0.3 mm, and the electrical resistivity was measured using an IV measuring device (manufactured by Keysight Co., Ltd., B2901A). Got
(比較例2)
多孔性金属錯体Cu(mipt)錯体を下記文献の方法に従い、ソルボサーマル法を用いて合成した。Cu(mipt)錯体は、下記構造の化合物を配位子として有する錯体である。具体的には、下記構造式で表される5−メチルイソフタル酸と、硝酸銅六水和物とを、DMF+MeOH中、100℃で4日間加熱することで、青白色の錯体粉末を得た。
<文献>
N. L. Rosi, J. Kim, M. Eddaoudi, B. Chen, M. O’Keeffe, O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1504−1518
Porous metal complex Cu (mipt) complex was synthesized by the solvothermal method according to the method of the following literature. The Cu (mipt) complex is a complex having a compound having the following structure as a ligand. Specifically, 5-methylisophthalic acid represented by the following structural formula and copper nitrate hexahydrate were heated in DMF + MeOH at 100 ° C. for 4 days to obtain a bluish-white complex powder.
<Reference>
N. L. Roshi, J.M. Kim, M.M. Eddaoodi, B. Chen, M. O'Keffe, O. M. Yaghi, J.M. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1504-1518
得られた粉末試料について、CO2吸着特性をガス/蒸気吸着量測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて測定した結果、図7の吸着等温線が得られた。
また、得られた粉末試料を直径5mm、厚さ0.3mmのペレットに成形し、I−V測定装置(キーサイト社製、B2901A)を用いて電気抵抗率を測定した結果、表1の値を得た。
As a result of measuring the CO 2 adsorption characteristics of the obtained powder sample using a gas / steam adsorption amount measuring device (manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.), the adsorption isotherm of FIG. 7 was obtained.
Further, the obtained powder sample was formed into pellets having a diameter of 5 mm and a thickness of 0.3 mm, and the electrical resistivity was measured using an IV measuring device (manufactured by Keysight Co., Ltd., B2901A). Got
(実施例1)
2,3,6,7,10,11−ヘキサブロモトリフェニレン(和光純薬株式会社製)を原料として、下記文献の方法で2,3,6,7,10,11−ヘキサアミノトリフェニレン6塩酸塩(HATP)を合成した。得られたHATPと5−ホルミルサリチル酸(和光純薬株式会社製)とをモル比1:3で、−30℃、窒素雰囲気下で、ジメチルホルムアミド(DMF)中で混合、3時間撹拌した後、常温に戻してから空気を通気し、130℃、24時間加熱することで、下記構造の化合物(配位子)を得た。得られた配位子について赤外分光光度計でIRスペクトルを測定したところ、HATPにおいて3000cm−1付近に観測されるν(N−H)が消失しており、またホルミルサリチル酸において1650cm−1付近に観測されるν(C=O)が一部消失していることから、アミノ基とアルデヒドとの縮合反応が生じていることが確認された(図6)。
得られた配位子と酢酸ニッケル6水和物(和光純薬製)とをモル比1:3でDMF/水(DMF:水=1:1)中で混合し、110℃で水熱合成することで、多孔性金属錯体を得た。
<文献>
L. Chen, J. Kim, T. Ishizuka, Y. Honsho, A. Saeki, S. Seki, H. Ihee, D. Jiang, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7287−7292
Using 2,3,6,7,10,11-hexabromotriphenylene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a raw material, 2,3,6,7,10,11-hexaaminotriphenylene 6 hydrochloride by the method described in the following document. (HATP) was synthesized. The obtained HATP and 5-formylsalicylic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in dimethylformamide (DMF) at a molar ratio of 1: 3, under a nitrogen atmosphere at -30 ° C, and stirred for 3 hours. After returning to room temperature, air was aerated and heated at 130 ° C. for 24 hours to obtain a compound (ligand) having the following structure. When the IR spectrum of the obtained ligand was measured with an infrared spectrophotometer, ν (NH) observed at around 3000 cm -1 in HATP disappeared, and around 1650 cm -1 in formyl salicylic acid. Since the ν (C = O) observed in the above disappeared partially, it was confirmed that the condensation reaction between the amino group and the aldehyde occurred (Fig. 6).
The obtained ligand and nickel acetate hexahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are mixed in DMF / water (DMF: water = 1: 1) at a molar ratio of 1: 3, and hydrothermal synthesis is performed at 110 ° C. By doing so, a porous metal complex was obtained.
<Reference>
L. Chen, J.M. Kim, T.M. Ishizuka, Y.M. Honsho, A. Saeki, S.A. Seki, H. Ihee, D.I. Jiang, J.M. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7287-7292
得られた粉末試料について、CO2吸着特性をガス/蒸気吸着量測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて測定した結果、図7の吸着等温線が得られ、1気圧で約20cm3g−3と、比較例2より大きい二酸化炭素を吸着する能力を有していることが確認された。
また、この粉末試料を直径5mm、厚さ0.3mmのペレットに成形し、I−V測定装置(キーサイト社製、B2901A)を用いて電気抵抗率を測定した結果、表1の値を得、比較例1より導電率が高くなっていることが確認された。
As a result of measuring the CO 2 adsorption characteristics of the obtained powder sample using a gas / steam adsorption amount measuring device (manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.), the adsorption isotherm of FIG. 7 was obtained, and about 20 cm at 1 atm. It was confirmed that it has the ability to adsorb 3 g -3 and carbon dioxide larger than that of Comparative Example 2.
Further, as a result of molding this powder sample into pellets having a diameter of 5 mm and a thickness of 0.3 mm and measuring the electrical resistivity using an IV measuring device (manufactured by Keysight Co., Ltd., B2901A), the values shown in Table 1 were obtained. It was confirmed that the conductivity was higher than that of Comparative Example 1.
更に以下の付記を開示する。
(付記1)
中心金属と、前記中心金属に配位する配位子と、を有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする吸着剤。
(付記2)
Ar1における前記芳香族炭化水素環が、ベンゼン環、ナフタレン環、又はアントラセン環であり、
Ar2における前記芳香族炭化水素環が、ベンゼン環、ナフタレン環、又はアントラセン環であり、
Ar3における前記芳香族炭化水素環が、ベンゼン環、ナフタレン環、又はアントラセン環である、
付記1に記載の吸着剤。
(付記3)
前記中心金属が、ニッケル、銅、亜鉛、マグネシウム、鉄、及びコバルトから選択される少なくともいずれかである付記1から2のいずれかに記載の吸着剤。
(付記4)
金属塩と、前記金属塩の金属と結合可能な配位子と、水と、を含有する混合液を加熱することを含む吸着剤の製造方法であって、
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする吸着剤の製造方法。
(付記5)
下記一般式(1)で表されることを特徴とする化合物。
(付記6)
二酸化炭素を還元可能な金属を有する金属含有部材と、
前記金属含有部材の表面に、吸着剤と、を有し、
前記吸着剤が、中心金属と、前記中心金属に配位する配位子と、を有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする二酸化炭素還元用電極。
(付記7)
前記金属含有部材の材質が、銅、銀、金、亜鉛、及びインジウムの少なくともいずれかである付記6に記載の二酸化炭素還元用電極。
(付記8)
二酸化炭素還元用電極をカソード側の電極として有する二酸化炭素還元装置であって、
前記二酸化炭素還元用電極が、二酸化炭素を還元可能な金属を有する金属含有部材と、前記金属含有部材の表面に吸着剤と、を有し、
前記吸着剤が、中心金属と、前記中心金属に配位する配位子とを有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
(Appendix 1)
A porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
An adsorbent characterized in that the ligand is represented by the following general formula (1).
(Appendix 2)
The aromatic hydrocarbon ring in Ar 1 is a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring.
The aromatic hydrocarbon ring in Ar 2 is a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring.
The aromatic hydrocarbon ring in Ar 3 is a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring.
The adsorbent according to
(Appendix 3)
The adsorbent according to any one of
(Appendix 4)
A method for producing an adsorbent, which comprises heating a mixed solution containing a metal salt, a ligand capable of binding to a metal of the metal salt, and water.
A method for producing an adsorbent, wherein the ligand is represented by the following general formula (1).
(Appendix 5)
A compound characterized by being represented by the following general formula (1).
(Appendix 6)
A metal-containing member having a metal capable of reducing carbon dioxide, and
On the surface of the metal-containing member, an adsorbent is provided.
The adsorbent is a porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
A carbon dioxide reducing electrode, wherein the ligand is represented by the following general formula (1).
(Appendix 7)
The carbon dioxide reducing electrode according to Appendix 6, wherein the material of the metal-containing member is at least one of copper, silver, gold, zinc, and indium.
(Appendix 8)
A carbon dioxide reducing device having a carbon dioxide reducing electrode as an electrode on the cathode side.
The carbon dioxide reducing electrode has a metal-containing member having a metal capable of reducing carbon dioxide, and an adsorbent on the surface of the metal-containing member.
The adsorbent is a porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
A carbon dioxide reducing device, wherein the ligand is represented by the following general formula (1).
1 二酸化炭素還元用電極
2 金属含有部材
3 吸着剤
10A 二酸化炭素還元装置
10B 二酸化炭素還元装置
12 アノード電極
13 保液膜
14 プロトン透過膜
15 定電圧電源装置
16 光源
17 導線
100A 二酸化炭素還元装置
100B 二酸化炭素還元装置
110 カソード槽
112 第1電解液
120 アノード槽
121 アノード電極
122 第2電解液
130 プロトン透過膜
140 二酸化炭素供給部材
150 定電圧電源装置
160 参照電極
170 光源
180 導線
1 Electrode for
Claims (7)
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする吸着剤。
An adsorbent characterized in that the ligand is represented by the following general formula (1).
Ar2における前記芳香族炭化水素環が、ベンゼン環、ナフタレン環、又はアントラセン環であり、
Ar3における前記芳香族炭化水素環が、ベンゼン環、ナフタレン環、又はアントラセン環である、
請求項1に記載の吸着剤。 The aromatic hydrocarbon ring in Ar 1 is a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring.
The aromatic hydrocarbon ring in Ar 2 is a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring.
The aromatic hydrocarbon ring in Ar 3 is a benzene ring, a naphthalene ring, or an anthracene ring.
The adsorbent according to claim 1.
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする吸着剤の製造方法。
A method for producing an adsorbent, wherein the ligand is represented by the following general formula (1).
前記金属含有部材の表面に、吸着剤と、を有し、
前記吸着剤が、中心金属と、前記中心金属に配位する配位子と、を有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする二酸化炭素還元用電極。
On the surface of the metal-containing member, an adsorbent is provided.
The adsorbent is a porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
A carbon dioxide reducing electrode, wherein the ligand is represented by the following general formula (1).
前記二酸化炭素還元用電極が、二酸化炭素を還元可能な金属を有する金属含有部材と、前記金属含有部材の表面に吸着剤と、を有し、
前記吸着剤が、中心金属と、前記中心金属に配位する配位子とを有する多孔性金属錯体であり、
前記配位子が、下記一般式(1)で表されることを特徴とする二酸化炭素還元装置。
A carbon dioxide reducing device having a carbon dioxide reducing electrode as an electrode on the cathode side.
The carbon dioxide reducing electrode has a metal-containing member having a metal capable of reducing carbon dioxide, and an adsorbent on the surface of the metal-containing member.
The adsorbent is a porous metal complex having a central metal and a ligand coordinated to the central metal.
A carbon dioxide reducing device, wherein the ligand is represented by the following general formula (1).
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