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

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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。