Examination of CO2 reduction reaction sites using fast proton-conducting oxides via operando observations

通过操作观察使用快速质子传导氧化物检查 CO2 还原反应位点

基本信息

批准号：
21H01654
负责人：
兵頭潤次
金额：
$ 11.48万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、BaZr0.4Sc0.6O3-δ電解質と金属電極で構成される界面を対象に、プロトン伝導性酸化物を用いたCO2還元反応場へ赤外吸収分光法、電気化学計測、ガス質量分析を同時に計測するオペランド観測法を適用し、メタン生成に関与する活性中間体の同定、反応経路、およびメタン生成反応の電流効率を明らかにすることである。本年度は、昨年度導入したCO2還元反応膜型反応器評価用電気化学システム、および昨年度合成プロセスを開発したBaZr0.4Sc0.6O3-δ電解質を用いたアノード支持型セルを対象として電気化学的CO2還元特性を評価した。Niをカソード材料とした際のCO2還元特性を評価したところ、プロトン電流をカソードへ掃引することで、CO2ガスがメタン化反応を生じることを観測した。また、カソード電流量を増加することで、CH4生成速度が増加することを実測した。電流印加によるCH4生成速度増加量はファラデー則による期待値よりも小さいことから、水素供給による熱力学的反応駆動力増加がCH4生成速度を増加させたものと推測している。一方で、本セルで得られた結果はファラデー効率が約2％と著しく低く、触媒活性が低いことによりカソード過電圧が増大し、電解質からの電子リークが発生している状況であることが示唆された。また、オペランド赤外吸収分光装置を用いた反応中間体、出口ガス分析の同時計測を試みた。CH4中間体であるC-H結合由来の吸収ピークを観測することができた。しかし、電圧印加によるピーク強度の変化は小さく、また、質量分析によるCH4生成速度の変化も観測できなかった。電解化学計測においては、電圧印加の効果が観測されていることから、触媒量やガス空間速度を最適化し、検出できる条件出しが必要であることが示唆されている。

这项研究的目的是将操作数观察方法应用于使用质子氧化物的界面，同时测量红外吸收光谱，电化学测量和气体质量分析和气体质量分析到CO2还原反应场上，以bazR0.4SC0.4SC0.6O3-δ电解率和鉴定的含量，涉及BAZR0.4SC0.4SC0.6O3-Δ甲烷反应。今年，我们评估了用于评估去年引入的CO2还原反应膜反应器的电化学系统的电化学CO2还原性能，并使用BAZR0.4SC0.4SC0.6O3-δ电解质来评估了阳极支持的细胞，该电解质是去年开发了合成过程的。当使用Ni用作阴极材料时评估CO2还原性能时，观察到CO2气体通过将质子电流扫到阴极中产生了甲烷化反应。还观察到，增加阴极电流量会增加CH4发电率。由于根据法拉第定律，由于电流的应用而导致的CH4发电率的增加小于预期值，因此据估计，由氢供应引起的热力反应驱动力的增加增加了CH4的生成速率。另一方面，使用该细胞获得的结果表明，Faraday效率在约2％时明显降低，并且由于低催化活性，阴极过压增加，导致电解质泄漏。此外，尝试使用操作数红外吸收光谱仪同时测量反应中间体和出口气体分析。观察到源自C-H键的吸收峰，即CH4中间体。然而，由于电压施加引起的峰强度的变化很小，并且未观察到质谱法的CH4发电率变化。在电解化学测量中，已经观察到了施加电压的效果，这表明有必要优化催化剂和气体空间速度的量，并提供检测检测的条件。