単結晶電極の表面原子配列と電極反応活性

本研究課題は、二酸化炭素の電気化学還元をエネルギー貯蔵プロセスに応用することを目的として、そのための優れた電極触媒を設計する指針を求めるものである。本年は二酸化炭素の還元に優れた特性を有するCuとPtの単結晶を電極として、その触媒活性と表面原子配列との関係を解明することを目的とした。Cu単結晶(直径10mm)をBridgeman法によって作成し、結晶面を決定した後、表面処理したものを電極とした。各単結晶電極の微分容量値を測定し、その値から零電荷電位(PZC)を求めた。結晶の表面を形成する際に切断される結合数broken bond density(d_<bb> )とPZCが良い相関にあることから、本研究で用いられた結晶面の原子配列は、正しく方位されていることが確認された。次にCu単結晶電極のいろいろな原子配列について、二酸化炭素の電気化学還元の反応活性を調べた。結晶面として(111),(755),(533),(311),(511),(100),(210),(110)を選び、5mA/cm^2の定電流密度で、CO_2の電解還元を行った。結晶面によって反応生成物は大きく変動し、(511)面ではエチレンとエタノールの生成が起こりやすく、(111)ではメタンの生成が圧倒的であった。そのC1とC2物質の選択性の違いは、10倍を越える。このように本研究課題では、二酸化炭素の還元でエチレン、エタノールを選択的に生成する電極触媒の条件を明らかにしつつある。白金電極上でCO_2は表面の吸着水素によって還元されて、吸着Coが生成す。この反応に対する単結晶の基本指数面の電極触媒活性は、Pt(110)>>Pt(100)>>Pt(111)である。白金単結晶の高指数面の電極としてPt(S)-[n(111)x(111)],Pt(S)-[n(111)x(100)],Pt(S)-[n(100)x(111)]なるシリーズの電極を選択し、本反応の電極触媒活性を調べたところ、ステップ密度の高い面方位の電極がﾞCO_2還元活性が高く、また(100)ステップより(111)ステップを有する結晶面の方が高い活性を有することがわかった。結晶シリーズとしての活性の順序は、Pt(S)-[n(111)x(100)]<Pt(S)-[n(100)x(111)]<Pt(S)-[n(111)x(111)]である。対象とした面の中ではPt(110)が最も活性は高い。

本研究課題は、二酸化炭素の電気化学還元をエネルギー貯蔵プロセスに応用することを目的として、そのための優れた電極触媒を設計する指針を求めるものである。本年は二酸化炭素の還元に優れた特性を有するCuとPtの単結晶を電極として、その触媒活性と表面原子配列との関係を解明することを目的とした。Cu単結晶(直径10mm)をBridgeman法によって作成し、結晶面を決定した後、表面処理したものを電極とした。各単結晶電極の微分容量値を測定し、その値から零電荷電位(PZC)を求めた。結晶の表面を形成する際に切断される結合数broken bond density(d_<bb> )とPZCが良い相関にあることから、本研究で用いられた結晶面の原子配列は、正しく方位されていることが確認された。次にCu単結晶電極のいろいろな原子配列について、二酸化炭素の電気化学還元の反応活性を調べた。結晶面として(111),(755),(533),(311),(511),(100),(210),(110)を選び、5mA/cm^2の定電流密度で、CO_2の電解還元を行った。結晶面によって反応生成物は大きく変動し、(511)面ではエチレンとエタノールの生成が起こりやすく、(111)ではメタンの生成が圧倒的であった。そのC1とC2物質の選択性の違いは、10倍を越える。このように本研究課題では、二酸化炭素の還元でエチレン、エタノールを選択的に生成する電極触媒の条件を明らかにしつつある。白金電極上でCO_2は表面の吸着水素によって還元されて、吸着Coが生成す。この反応に対する単結晶の基本指数面の電極触媒活性は、Pt(110)>>Pt(100)>>Pt(111)である。白金単結晶の高指数面の電極としてPt(S)-[n(111)x(111)],Pt(S)-[n(111)x(100)],Pt(S)-[n(100)x(111)]なるシリーズの電極を選択し、本反応の電極触媒活性を調べたところ、ステップ密度の高い面方位の電極がﾞCO_2還元活性が高く、また(100)ステップより(111)ステップを有する結晶面の方が高い活性を有することがわかった。結晶シリーズとしての活性の順序は、Pt(S)-[n(111)x(100)]<Pt(S)-[n(100)x(111)]<Pt(S)-[n(111)x(111)]である。対象とした面の中ではPt(110)が最も活性は高い。