研究 (Research)
最終更新日：
高速・高選択CO2 電解還元系の多階層横断的設計 (Multiscale design of high-rate CO2 electrolysis systems)
准教授 神谷 和秀（基礎工学研究科 附属太陽エネルギー化学研究センター） KAMIYA Kazuhide (Graduate School of Engineering Science)
研究の概要
水溶液系での電気化学的手法による CO2還元反応は、クリーンかつ常温常圧で進行することから、CO2の資源化技術として大きな注目を集めている。本技術の社会実装に向けては高速かつ高選択で反応系を駆動させる必要がある。我々は CO2電解の反応場である三相界面を構築する電極触媒などの各要素を適切に選択・配列することで、1A/cm2を超える電流密度で C2以上の有機化合物やギ酸を高選択的に合成することに成功した。
研究の背景と結果
カーボンニュートラルの実現に向けて，再生可能エネルギー由来の電力を用いた CO2電解が大きな注目を集めている。特に近年、ガス拡散電極（GDE）を用いて基質 CO2をガス状のまま反応界面に供給することで、CO2電解を高電流化しようとする試みが活発になりつつある。これまでこのガス状 CO2電解の高活性化に向けては、触媒などの各構成要素を個別に設計・開発する研究が主流であった。CO2還元反応系全体の活性の向上には、触媒・電極・電解槽などスケールの異なる各要素材料を調和的に機能させ、各材料のもつポテンシャルを最大限に発揮させることが必要不可欠である。
我々はナノメートルスケールでの材料設計と、マイクロメートルスケールでの界面設計を組み合わせることで、材料のポテンシャルを最大限に発揮させるといった思想に基づき研究を行ってきた。その結果、最も標準的な触媒である金属銅ナノ粒子を用いて、その触媒層の厚みや多孔性を精密に制御することで、世界最高の電流密度で駆動する超高電流密度 CO2電解系（C2以上の化合物の生成電流密度j C2+ = 1.8 A/cm2）の立ち上げに成功した。さらに、我々は金属ナノフォームとカーボンナノ粒子をハイブリッドすることで、親 / 疎水界面を厚み方向に増加させることで、反応面である三相界面の面積を大幅に増加させた。その結果、水素キャリアとして期待されるギ酸の生成電流密度を1 A/cm2を超えるまでに増大させることに成功した。さらに、固体高分子型電解セルを用いることで、従来の液体電解質系と比較して消費電力（作動電圧）を大幅に低減したうえで、C2以上の化合物を高速で生成することができる反応系を構築した。
研究の意義と将来展望
CO2電解に活性を決定する因子は触媒・電極・電解槽など多階層にまたがって複数あげられる。しかし、従来の多くの研究は各要素のみにフォーカスしたものであり、それぞれをいかに全体調和的に機能させるかといった研究はほとんど行われてこなかった。一方、我々はこれらの各要素を適切に選択・配列することで、それらを調和的に機能させ、各構成材料のポテンシャルを最大限に発揮させるといった思想に基づき研究を進めることで、世界最高クラスの反応速度を達成することに成功した。本研究で扱ったようなミクロからマクロスケールまで多階層横断的視点での設計は、今後のエネルギーデバイスの開発において基盤的方針になると考えられる。
担当研究者
准教授 神谷 和秀（基礎工学研究科 附属太陽エネルギー化学研究センター）
キーワード
CO2電解／カーボンニュートラル／マルチスケールシミュレーション／人工光合成
応用分野
エネルギー変換／カーボンニュートラル／グリーントランスフォーメーション
参考URL
https://rcsec.osaka-u.ac.jp/nakanishilab
https://researchmap.jp/kamiya0908