電極触媒による二酸化炭素還元反応のための効率的な物質移動経路の構築

2023 年 7 月 24 日

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サイエンスチャイナプレス著

人間の活動により大気中の二酸化炭素（CO2）の量が増加しているため、温室効果の加速と地球温暖化が一般的な懸念となっています。 このような環境問題を軽減するために、CO2を利用するさまざまな技術が開発されています。

電極触媒による CO2 還元反応 (CO2RR) は、再生可能エネルギー (太陽エネルギーや風力エネルギーなど) を使用して CO2 を付加価値のある製品に変換する非常に魅力的な技術です。 CO2RR の産業用途の要件を満たすために、ガス拡散電極 (GDE) ベースの膜電極接合体 (MEA) が広く採用されています。

GDE では、触媒層 (CL) が触媒反応の主な場所であり、通常、触媒、触媒担体、アイオノマーが含まれています。 インクベースの方法による CL の調製では、通常、アイオノマーの不均一な分布が問題となり、イオンと CO2 の輸送に影響を及ぼします。

したがって、アイオノマーの空間分布を合理的に最適化することは、物質移動を促進し、触媒性能を高めるのに有益です。 溶媒の極性を調整したり、触媒とアイオノマー間の相互作用を改善したりする方法に加えて、CO2RRの実用化に向けて優れた性能を達成するために、アイオノマーの分布をさらに最適化するための、より積極的で制御可能なアプローチを開発することが依然として求められています。システム。

この課題に応えて、天津大学の Jinlong Gong 教授率いるエネルギーと触媒の冒険チームは、アイオノマーの事前閉じ込め方法を開発しました。 具体的には、電極触媒の合成プロセス中にアイオノマーが導入され、GDE 構築用のアイオノマー閉じ込め電極触媒の形成につながりました。 この方法は、アイオノマーが均一に分布した GDE の構築に有利であり、その結果、アイオノマーの蓄積によって引き起こされる物質移動の問題が軽減されます。

GDE 内のアイオノマーの分布を最適化することで、CL 内のイオン輸送が促進されます。 反応サイトで生成されたイオンは、迅速にアノードに移動する可能性があります。 さらに、空間的に均一なアイオノマーは、アイオノマーの蓄積によって引き起こされる局所的な高い物質移動抵抗を回避し、CO2 輸送を強化し、触媒性能を向上させます。

したがって、最適化されたGDEは比較的低いセル電圧(300mA cm-2で約3.3V)と、600mA cm-2の高電流密度でも90%を超える高いCOファラデー効率を備えていました。 この電極は、300 mA cm-2 の電流密度で 220 時間以上安定した触媒作用も達成します。 この研究で収集された情報は GDE の最適設計のヒントとなり、CO2RR の実用化を実現するための参考となることが期待されます。

詳しくは： Xiaowei Du et al、効率的な物質移動経路を介した電極触媒による CO2 還元反応のためのアイオノマーの閉じ込め、National Science Review (2023)。 DOI: 10.1093/nsr/nwad149

サイエンスチャイナプレス提供