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公開番号2024131149
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-30
出願番号2023041240
出願日2023-03-15
発明の名称カソード、当該カソードを用いる二酸化炭素還元電解槽、並びに、当該二酸化炭素還元槽を用いる、一酸化炭素の製造方法及びエチレンの製造方法
出願人旭化成株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C25B 11/052 20210101AFI20240920BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】二酸化炭素還元電解槽に用いる際に、大きい電流密度で運転しながら、セル電圧を小さく保ち、且つ、還元反応の高い選択性を示す、カソード、当該カソードを用いる二酸化炭素還元電解槽、並びに、当該二酸化炭素還元槽を用いる、一酸化炭素の製造方法及びエチレンの製造方法を提供する
【解決手段】ガス拡散基材と、前記ガス拡散基材上に形成された、二酸化炭素還元用触媒を含有し、且つ、厚さ10～100μmの触媒層とを有する、カソード、当該カソードを有する二酸化炭素還元電解槽、当該二酸化炭素還元電解槽を用いる一酸化炭素の製造方法、及び当該二酸化炭素還元電解槽を用いるエチレンの製造方法。。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ガス拡散基材と、
前記ガス拡散基材上に形成された、二酸化炭素還元用触媒を含有し、且つ、厚さ１０～１００μｍの触媒層と
を有する、カソード。
続きを表示（約 690 文字）【請求項２】
前記触媒層の厚さ（Ｌ
１
）と前記ガス拡散基材の厚さ（Ｌ
２
）の比（Ｌ
１
／Ｌ
２
）が０．０２～０．５である、請求項１に記載のカソード。
【請求項３】
前記触媒層の表面の、水に対する接触角θが１４０度以下である、請求項１に記載のカソード。
【請求項４】
前記触媒層が、金、銀、銅、亜鉛、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含む、請求項１に記載のカソード。
【請求項５】
前記触媒層が、平均粒子径が１～５００ｎｍであるナノ粒子を含む、請求項１に記載のカソード。
【請求項６】
請求項１～５のいずれか一項に記載のカソードを有する、二酸化炭素還元電解槽。
【請求項７】
前記カソードに気体の二酸化炭素を供給する二酸化炭素流路と、
酸化反応が進行するアノードと、
前記アノードに電解液を供給する電解液流路と、
前記カソードと前記アノードとの間に配置される、親水性を有する多孔質隔膜と、
を更に有し、
前記多孔質隔膜の第１の面が前記カソードに接し、かつ前記多孔質隔膜の第２の面が前記アノードに接する構造を有する、請求項６に記載の二酸化炭素還元電解槽。
【請求項８】
請求項６に記載の二酸化炭素還元電解槽を用いる、一酸化炭素の製造方法。
【請求項９】
請求項６に記載の二酸化炭素還元電解槽を用いる、エチレンの製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード、当該カソードを用いる二酸化炭素還元電解槽、並びに、当該二酸化炭素還元槽を用いる、一酸化炭素の製造方法及びエチレンの製造方法に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
カーボンニュートラルを通じた持続可能な社会の実現のために、二酸化炭素を燃料や化学品に変換して利用する技術が求められている。二酸化炭素電解還元反応（ＣＯ２ＲＲ）は、再生可能エネルギー由来などの電力を用いて二酸化炭素を直接電気化学的に還元し有価物へと変換する反応であり、カーボンニュートラル実現のための有力な手段として注目されている。
【０００３】
二酸化炭素還元電解槽において、カソードでは二酸化炭素が還元されて一酸化炭素やエチレン等の化学品が発生し、アノードでは水の酸化反応によって酸素が発生する。カソードでは水の還元反応による水素発生が併発することから、二酸化炭素を優先的に還元するためにはカソードへの効率的な二酸化炭素の供給が重要となる。このような観点から、二酸化炭素還元電解用のカソードとしてガス拡散電極が広く用いられている。これは多孔質構造のカソードを用いて、カソードのうちアノードに近い面は電解液と接し、もう一方の面は二酸化炭素ガスを含む気相と接するようにしたものであり、カソードへの二酸化炭素の拡散が大幅に促進される。（例えば、非特許文献１参照）
【０００４】
特許文献１には、多孔膜に電解液を染み込ませることによって、多孔膜に隔膜とイオン伝導体の両方の機能を付与したものを用い、カソードのガス拡散電極とアノードの間に多孔膜を配置し、カソード、多孔膜、アノードを接合させた二酸化炭素還元電解槽の構成が記載されている。カソード、多孔膜、アノードを接合することにより電極間距離が小さくなり、セル電圧が小さくなる傾向にある。また、目的化合物である一酸化炭素が９７．８％という高い選択率で得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０１９－５６１３６号公報
【非特許文献】
【０００６】
Ｔ．ＢｕｒｄｙｎｙａｎｄＷ．Ａ．Ｓｍｉｔｈ，Ｅｎｅｒｇｙ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．，１２，１４４２－１４５３，（２０１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１では、カソードのガス拡散電極とアノードの間にイオン交換膜等の隔膜を配置し、さらにカソードとイオン交換膜の間にイオン伝導体である電解質水溶液（電解液）を流通させる電解液流路を配置した二酸化炭素還元電解槽について数値シミュレーションを行い、このような電解槽構成では、電解液流路の存在によってカソードとアノードの間の距離（電極間距離）が必然的に大きくなってしまい、イオン伝導抵抗によってセル電圧が大きくなると記載されている。
【０００８】
また、特許文献１における電流密度は１８８ｍＡ／ｃｍ
２
と比較的小さい。電流密度が大きいほど同じサイズの電解槽でより多くの目的化合物を製造できるため、工業的にはより大きい電流密度で運転できる電解槽が好ましい。
【０００９】
そこで本発明は、二酸化炭素還元電解槽に用いる際に、大きい電流密度で運転しながら、セル電圧を小さく保ち、且つ、還元反応の高い選択性を示す、カソード、当該カソードを用いる二酸化炭素還元電解槽、並びに、当該二酸化炭素還元槽を用いる、一酸化炭素の製造方法及びエチレンの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の構造を有するカソードを用いることで、二酸化炭素還元電解槽に用いる際に、大きい電流密度で運転しながら、セル電圧を小さく保ち、還元反応の高い選択性を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。
（【００１１】以降は省略されています）

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