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二酸化炭素 (CO2) は化石燃料の燃焼生成物であり、最も一般的な温室効果ガスであり、持続可能な方法で有用な燃料に戻すことができます。CO2 排出を燃料原料に変換する有望な方法の 1 つは、電気化学的還元と呼ばれるプロセスです。しかし、商業的に実行可能にするためには、より望ましい炭素豊富な製品を選択または製造できるようにプロセスを改善する必要があります。Nature Energy 誌で報告されているように、ローレンス バークレー国立研究所 (バークレー研究所) は、補助反応に使用される銅触媒の表面を改善し、それによってプロセスの選択性を高める新しい方法を開発しました。
「銅がこの反応に最適な触媒であることはわかっていますが、銅では目的の生成物に対する高い選択性が得られません」と、バークレー研究所化学科学部の上級科学者で同大学の化学工学教授であるアレクシス氏は述べた。カリフォルニア州バークレー出身。スペルは言った。「私たちのチームは、触媒のローカル環境を使用してさまざまなトリックを実行して、この種の選択性を提供できることを発見しました。」
これまでの研究で、研究者らは、商業的価値のある炭素を豊富に含む製品を作成するための最良の電気的および化学的環境を提供するための正確な条件を確立しました。しかし、これらの条件は、水ベースの導電性材料を使用する典型的な燃料電池で自然に発生する条件とは対照的です。
エネルギー省の液体サンシャイン・アライアンスのエネルギー・イノベーション・センター・プロジェクトの一環として、燃料電池の水環境で使用できる設計を決定するために、ベルと彼のチームは、一定の帯電を可能にするアイオノマーの薄い層に注目しました。通過する分子（イオン）。他のイオンを除外します。選択性の高い化学的特性により、微小環境に強い影響を与えるのに特に適しています。
Bell グループの博士研究員であり、この論文の筆頭著者でもある Chanyeon Kim 氏は、銅触媒の表面を 2 つの一般的なアイオノマー、Nafion と Sustainion でコーティングすることを提案しました。研究チームは、そうすることで触媒近くの環境（pH、水と二酸化炭素の量など）を何らかの方法で変化させ、有用な化学物質に容易に変換できる炭素豊富な生成物を生成する反応を誘導するはずだと仮説を立てた。製品と液体燃料。
研究者らは、各アイオノマーの薄層と 2 つのアイオノマーの二重層をポリマー材料でサポートされた銅フィルムに塗布してフィルムを形成し、これを手型の電気化学セルの一端付近に挿入できるようにしました。二酸化炭素をバッテリーに注入して電圧を印加したときに、バッテリーに流れる総電流を測定しました。次に、反応中に隣接するリザーバーに収集されたガスと液体を測定しました。2 層の場合、炭素を多く含む生成物が反応で消費されるエネルギーの 80% を占め、コーティングされていない場合の 60% よりも高いことがわかりました。
「このサンドイッチ コーティングは、高い製品選択性と高い活性という両方の長所を提供します」とベル氏は述べています。二重層の表面はカーボンリッチな製品に適しているだけでなく、同時に強力な電流を生成し、活性の向上を示します。
研究者らは、応答性の向上は、銅のすぐ上のコーティングに蓄積された高濃度の CO2 の結果であると結論付けました。さらに、2 つのアイオノマー間の領域に蓄積する負に帯電した分子は、局所的な酸性度を低下させます。この組み合わせにより、アイオノマー フィルムが存在しない場合に発生しがちな濃度のトレードオフが相殺されます。
反応効率をさらに向上させるために、研究者らは、CO2 と pH を増加させる別の方法としてアイオノマー フィルムを必要としない、これまでに証明された技術、つまりパルス電圧に注目しました。二層アイオノマーコーティングにパルス電圧を印加することにより、研究者らは、コーティングされていない銅と静電圧と比較して、カーボンリッチな製品の生成率を 250% 増加させることに成功しました。
研究者の中には新しい触媒の開発に重点を置いている人もいますが、触媒の発見には動作条件が考慮されていません。触媒表面の環境を制御することは、これまでとは異なる新しい方法です。
「私たちは完全に新しい触媒を思いついたわけではありませんが、反応速度論についての理解を活用し、この知識を触媒サイトの環境を変える方法を考える際の指針として利用しました」とシニアエンジニアのアダム・ウェーバー氏は語った。バークレー研究所のエネルギー技術分野の科学者であり、論文の共著者。
次のステップは、コーティングされた触媒の生産を拡大することです。バークレー研究所チームの予備実験には、商業用途に必要な大面積の多孔質構造よりもはるかに単純な小型の平面モデルシステムが含まれていました。「平らな面にコーティングを施すことは難しくありません。しかし、商業的な方法では、小さな銅のボールをコーティングすることが含まれる可能性があります」とベル氏は述べた。2 番目のコーティング層を追加するのは困難になります。1 つの可能性は、溶媒中で 2 つのコーティングを混合して堆積させ、溶媒が蒸発するときにコーティングが分離することを期待することです。そうしない場合はどうなりますか?ベル氏は「私たちはもっと賢くなる必要があるだけだ」と結論づけた。Kim C、Bui JC、Luo X などを参照。銅上の二層アイオノマーコーティングを使用して、CO2 をマルチカーボン製品に電解還元するためのカスタマイズされた触媒微小環境。ナットエナジー。2021;6(11):1026-1034。土井:10.1038/s41560-021-00920-8
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投稿時間: 2021 年 11 月 22 日
