世界最高速度でCO2を還元資源化する技術を開発――高電流密度に適した三相界面を構築 大阪大学

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電気化学CO2還元セル(右)と反応が進行する三相界面構造(左)

大阪大学は2022年12月16日、CO2の還元資源化によって、高速でCO2から多炭素有機化合物を合成することに成功したと発表した。同大学によると世界最高速度の合成速度だ。

CO2の還元資源化技術は、炭素循環型社会を構築するための重要な技術だ。電気化学CO2還元反応は、常温/常圧で進行し、かつ付加価値の高い多炭素有機化合物を1段階で合成できるため、効率的なCO2還元資源化技術として注目されている。実用化のためには、駆動電圧の低減や電流密度の大幅な向上が必要になる。しかしこれまで、CO2変換反応場である電極(三相界面)の設計指針が確立されていないために、電流密度を大幅に向上させることが困難だった。

今回の研究は、三相界面の面積を最大化するという方針で進められた。金属銅ナノ粒子から構成される触媒層の厚みや多孔性を制御することで、高電流密度に適した三相界面を構築。中性電解質中で、電流密度1.7 A/cm2でCO2から多炭素有機化合物を合成することに成功した。従来の電流密度は0.5 A/cm2程度であり、3倍以上の高密度、高速で合成できたことになる。反応がしやすいアルカリ電解質を用いた場合には、電流密度は1.8A/cm2にまで向上。それぞれ液性電解質において報告されている中では最も高い電流密度の値となる。

(a)中性および(b)アルカリ電解質中での多炭素有機化合物生成の電流密度と反応選択性および既報との比較

今回の研究成果は、CO2の資源化を高速にする技術として、グリーントランスフォーメーション(GX)実現の一旦を担うことが期待されるという。また、CO2還元反応に必要な電極や電気化学反応セルのサイズを大幅に縮小できるため、導入コスト削減につながることが期待されるという。今後、作動電圧の低減や耐久性の向上に向けた取り組みが必要になる。

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