Development of novel catalysts and electrolysis cell for highly-efficient co-conversion of CO2 and biomass to high-value-added compounds

再生可能エネルギーを用いて電気化学的に二酸化炭素（CO2）を有価物へと変換するとき、陰極の触媒性能を高めてCO2の還元速度を向上させると同時に、陽極の酸化反応を上手く組み合わせるようにすれば、電解セルの両電極で同時に高付加価値化学品を高効率的に合成できる。令和4年度では、新規CuベースCO2還元触媒を担持したガス拡散陰極及び金属層状複水酸化物（LDH）触媒担持した多孔質陽極の調製を行った。得られたCu-Ceベース陰極触媒を用いてCO2からエチレン（C2H4）、メタン（CH4）、一酸化炭素（CO）及びギ酸（HCOOH）への変換の総ファラデー効率が最大33％に達成されたが、エチレン（C2H4）への選択性は低かった。また、金属有機フレームワーク前駆体による合成した新規InBiOx触媒も得られ、CO2からギ酸への変換のファラデー効率は最大97.6%に達したほか、120時間以上の安定性が示した。一方、CuCo-、CuZn-、CoZn-及びCuCoZn-ベースの層状複水酸化物陽極触媒を調製し、バイオマス由来ヒドロキシメチルフルフラール（HMF）をバイオプラスチック原料のフランジカルボン酸（FDCA）へ電気化学的に変換した結果、最大100％のHMF転換率、95.8％のFDCA収率及び91.6％のFDCAへの変換ファラデー効率を達成した。また、市販の多孔質プロトン伝導性固体電解質膜及びバイポーライオン交換膜をスクリーニングしてみた結果、多孔質プロトン伝導性固体電解質高分子膜1種類及びバイポーライオン交換膜1種類を見つけた。

再生可能エネルギーを用いて電気化学的に二酸化炭素（CO2）を有価物へと変換するとき、陰極の触媒性能を高めてCO2の還元速度を向上させると同時に、陽極の酸化反応を上手く組み合わせるようにすれば、電解セルの両電極で同時に高付加価値化学品を高効率的に合成できる。令和4年度では、新規CuベースCO2還元触媒を担持したガス拡散陰極及び金属層状複水酸化物（LDH）触媒担持した多孔質陽極の調製を行った。得られたCu-Ceベース陰極触媒を用いてCO2からエチレン（C2H4）、メタン（CH4）、一酸化炭素（CO）及びギ酸（HCOOH）への変換の総ファラデー効率が最大33％に達成されたが、エチレン（C2H4）への選択性は低かった。また、金属有機フレームワーク前駆体による合成した新規InBiOx触媒も得られ、CO2からギ酸への変換のファラデー効率は最大97.6%に達したほか、120時間以上の安定性が示した。一方、CuCo-、CuZn-、CoZn-及びCuCoZn-ベースの層状複水酸化物陽極触媒を調製し、バイオマス由来ヒドロキシメチルフルフラール（HMF）をバイオプラスチック原料のフランジカルボン酸（FDCA）へ電気化学的に変換した結果、最大100％のHMF転換率、95.8％のFDCA収率及び91.6％のFDCAへの変換ファラデー効率を達成した。また、市販の多孔質プロトン伝導性固体電解質膜及びバイポーライオン交換膜をスクリーニングしてみた結果、多孔質プロトン伝導性固体電解質高分子膜1種類及びバイポーライオン交換膜1種類を見つけた。