JP7598059B2 - Carbon Dioxide Reduction Device - Google Patents
Carbon Dioxide Reduction Device Download PDFInfo
- Publication number
- JP7598059B2 JP7598059B2 JP2023523788A JP2023523788A JP7598059B2 JP 7598059 B2 JP7598059 B2 JP 7598059B2 JP 2023523788 A JP2023523788 A JP 2023523788A JP 2023523788 A JP2023523788 A JP 2023523788A JP 7598059 B2 JP7598059 B2 JP 7598059B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- reduction
- oxidation
- carbon dioxide
- electrolyte
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/50—Processes
- C25B1/55—Photoelectrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
- C25B3/21—Photoelectrolysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
- C25B3/25—Reduction
- C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Description
本発明は、二酸化炭素還元装置に関する。 The present invention relates to a carbon dioxide reduction device.
地球温暖化の主因として大気中の二酸化炭素濃度の増加が挙げられている。二酸化炭素の排出量の削減は、世界的規模で長期的な課題になっている。一方、エネルギー問題として中長期的に、化石燃料に頼ったエネルギー供給の見直しが迫られ、次世代のエネルギー供給源の創出が求められている。 The increase in carbon dioxide concentrations in the atmosphere is cited as the main cause of global warming. Reducing carbon dioxide emissions is a long-term challenge on a global scale. Meanwhile, in the medium to long term, energy issues call for a reassessment of energy supplies that rely on fossil fuels, and the creation of next-generation energy sources is required.
二酸化炭素の排出を抑制してエネルギーを得る手段としては、排熱、雪氷熱、振動、電磁波等の未使用エネルギーや、太陽光等の再生可能エネルギーを活用する技術開発が進められている。これらの発電技術は、電気エネルギーを創出するに止まりエネルギーを貯蓄することができない。また、化石燃料を原料とした化学製品を創ることもできない。 As a means of obtaining energy while reducing carbon dioxide emissions, technological development is underway to utilize unused energy sources such as exhaust heat, snow and ice heat, vibrations, and electromagnetic waves, as well as renewable energy sources such as sunlight. These power generation technologies are only capable of generating electrical energy and are not able to store energy. Furthermore, they are not able to create chemical products made from fossil fuels.
これらの課題を同時に解決する方法として、光エネルギーを用いて二酸化炭素を還元する技術が注目されている。例えば非特許文献1は、光照射による二酸化炭素の還元装置を開示している。その還元装置は、酸化電極に光を照射すると、酸化電極で電子・正孔対の生成及び分離が生じ、水の酸化反応により酸素及びプロトン(H+)が生成される。還元電極でプロトンと電子の結合により水素が生成され、還元反応が引き起こされる。この還元反応により、エネルギー資源として利用できる一酸化炭素、ギ酸、及びメタン等が生成される。As a method for simultaneously solving these problems, technology that uses light energy to reduce carbon dioxide has attracted attention. For example, Non-Patent
二酸化炭素還元反応の効率は、ファラデー効率で表せる。ファラデー効率は、酸化電極と還元電極の間を移動した電子数に対して、二酸化炭素還元反応に使われた電子数の割合で表される。The efficiency of the carbon dioxide reduction reaction can be expressed as the Faraday efficiency. The Faraday efficiency is expressed as the ratio of the number of electrons used in the carbon dioxide reduction reaction to the number of electrons transferred between the oxidation electrode and the reduction electrode.
ファラデー効率は、還元電極の電圧と密接な関係があることが知られている。そこで、ファラデー効率を向上させるために還元装置に太陽電池を組み込み、太陽電池の素子数を変化させることで還元電極の電圧を変化させる方法が開示されている(例えば非特許文献2)。It is known that the Faraday efficiency is closely related to the voltage of the reduction electrode. Therefore, in order to improve the Faraday efficiency, a method has been disclosed in which a solar cell is incorporated in the reduction device and the voltage of the reduction electrode is changed by changing the number of solar cell elements (for example, Non-Patent Document 2).
しかしながら、非特許文献2に開示された方法では、太陽電池の1素子当たりの起電力は0.5~0.6Vであることから還元電極の電圧を離散的にしか調整できない。よって、還元電極の電圧は、その起電力を単位に段階的に設定される。However, in the method disclosed in
例えば一酸化炭素の生成効率のよい還元電極の電圧は、酸化電極を基準に1.25Vである。この電圧に設定するには、任意の電圧に設定できる外部電源が必要になる。For example, the voltage of a reduction electrode that produces carbon monoxide efficiently is 1.25 V relative to the oxidation electrode. To set this voltage, an external power supply that can be set to any voltage is required.
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、外部電源を用いずに還元電極の電圧を連続的に変化させられる二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of this problem, and aims to provide a carbon dioxide reduction device that can continuously change the voltage of the reduction electrode without using an external power source.
本発明の一態様に係る二酸化炭素還元装置は、透明基板の上に成膜され外部からの光を受光する酸化電極と、前記酸化電極が浸漬される電解液を保持する酸化槽と、還元電極と、前記還元電極が浸漬され、外部から二酸化炭素がバブリングされる前記電解液を保持する還元槽と、前記酸化槽と前記還元槽の間に配置され前記電解液を酸化側と還元側に二分する電解質膜と、前記酸化電極と前記還元電極の間に接続される可変抵抗器とを備えることを要旨とする。 The carbon dioxide reduction device according to one embodiment of the present invention comprises an oxidation electrode formed on a transparent substrate and receiving light from the outside, an oxidation tank holding an electrolyte in which the oxidation electrode is immersed, a reduction electrode, a reduction tank holding the electrolyte in which the reduction electrode is immersed and into which carbon dioxide is bubbled from the outside, an electrolyte membrane disposed between the oxidation tank and the reduction tank and dividing the electrolyte into an oxidation side and a reduction side, and a variable resistor connected between the oxidation electrode and the reduction electrode.
本発明によれば、外部電源を用いずに還元電極の電圧を連続的に変化させられる二酸化炭素還元装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a carbon dioxide reduction device that can continuously change the voltage of the reduction electrode without using an external power source.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference symbols are used for the same parts in the drawings, and the description will not be repeated.
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態に係る二酸化炭素還元装置の構成例を示す模式図である。図1において、左右をX方向、図面の奥をY方向、図面の上をZ方向と定義する。
First Embodiment
1 is a schematic diagram showing a configuration example of a carbon dioxide reduction device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the left and right are defined as the X direction, the depth of the drawing is defined as the Y direction, and the top of the drawing is defined as the Z direction.
図1に示す二酸化炭素還元装置100は、酸化電極2、酸化槽6、還元電極3、還元槽7、電解質膜4、及び可変抵抗器8を備える。二酸化炭素還元装置100は、酸化還元反応により、エネルギー資源として利用できる一酸化炭素、ギ酸、及びメタン等を生成する。The carbon
酸化電極2は、透明基板1の上に成膜され外部からの光9を受光する。透明基板1は、XY方向の平面に所定の面積を持つ例えばサファイアである。その透明基板1の上に、例えば、窒化物半導体、酸化チタン、アモルファスシリコン、ルテニウム錯体、又はレニウム錯体からなる群より選択される少なくとも一つを含む化合物が平面上に成膜されて酸化電極2が形成される。これらの化合物は、光活性やレドックス活性を示す。The
光9は、例えば太陽光である。なお、光9は、太陽光で無くても構わない。例えばキセノンランプ、疑似太陽光源、ハロゲンランプ、水銀ランプ、又はこれらの光源の組合せた光であってもよい。
The
酸化槽6は、酸化電極2が浸漬される電解液5を保持する。電解液5は、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ルビジウム水溶液、及び水酸化セシウム水溶液からなる群より選択される少なくとも一つを含む。図1は、光9が酸化槽6の底からZ方向に照射される例を示す。The
還元電極3は、例えば、銅、白金、金、銀、インジウム、パラジウム、ガリウム、ニッケル、錫、カドミウム、及び、それらの合金の多孔質体の何れかを用いることができる。また、還元電極3は、酸化銀、酸化銅、酸化銅(II)、酸化ニッケル、酸化インジウム、酸化錫、酸化タングステン、酸化タングステン(VI)、酸化銅等の化合物、若しくは金属イオンとアニオン性配位子を有する多孔質金属錯体であってもよい。還元電極3は、酸化電極2と同様にXY方向の平面に所定の面積を持つ。なお、還元電極3は、後述する電解質膜4と同様にY方向に平面を形成するように配置しても構わない。The
還元槽7は、還元電極3が浸漬され、外部から二酸化炭素がバブリングされる電解液5を保持する。電解液5は酸化槽6中のものと同じである。The
電解質膜4は、酸化槽6と還元槽7の間に配置され電解液5を酸化側と還元側に二分する。電解質膜4は、例えば、炭素-フッ素から成る骨格を持つ電解質膜であるナフィオン(登録商標)、フォアブルー、アクイビオン(登録商標)の何れか、又は炭素水素系骨格を持つ電解質膜であるセレミオンやネオセプタであってもよい。The
可変抵抗器8は、酸化電極2と還元電極3の間に接続される。可変抵抗器8の抵抗値は、その最大値を例えば酸化電極2と還元電極3の間の抵抗値と同じ値に設定する。可変抵抗器8の抵抗値を最小にした場合は、酸化電極2を基準にした還元電極3の電圧を最も高くすることができる。また、可変抵抗器8の抵抗値を最大にした場合は、同還元電極3の電圧を最も低く設定することができる。The
摺動子を回転させる一般的な可変抵抗器8の場合、回転軸の可動角度は約310度であり、任意の角度に調整することが可能である。よって、還元電極3の電圧は任意の電圧に設定することができ、ファラデー効率を最適化できる。
In the case of a
(変形例1)
図2は、二酸化炭素還元装置100の変形例1を示す模式図である。図2に示す二酸化炭素還元装置110は、酸化電極2を2層の半導体層を積層して構成した例である。
(Variation 1)
Fig. 2 is a schematic diagram showing a first modified example of the carbon
酸化電極2は、第1の半導体膜21と第2の半導体膜22の2層で構成される。例えば、第1の半導体膜21の半導体材料をGaNにした場合、第2の酸化電極22はCdS又はC3N4を用いることができる。The
以上説明したように本実施形態に係る二酸化炭素還元装置100は、透明基板1の上に成膜され外部からの光を受光する酸化電極2と、酸化電極2が浸漬される電解液5を保持する酸化槽6と、還元電極3と、還元電極3が浸漬され、外部から二酸化炭素がバブリングされる電解液5を保持する還元槽7と、酸化槽6と還元槽7の間に配置され電解液5を酸化側と還元側に二分する電解質膜4と、酸化電極2と還元電極3の間に接続される可変抵抗器8とを備える。これにより、外部電源を用いずに還元電極の電圧を連続的に変化させられる二酸化炭素還元装置を提供することができる。As described above, the carbon
また、変形例1の酸化電極2は、2層の半導体層が積層されて構成され、還元電極3側に配置される第2の半導体膜22の伝導帯のエネルギー準位は、第1の半導体膜21の価電子帯のエネルギー準位より高く、第2の半導体膜22の価電子帯のエネルギー準位は、第1の半導体膜21の伝導帯のエネルギー準位より低い。これにより、還元電極3の電圧を高めることができる。
In addition, the
{第2実施形態}
図3は、本発明の第2実施形態に係る二酸化炭素還元装置の構成例を示す模式図である。図3に示す二酸化炭素還元装置200は、太陽電池20を備える点で二酸化炭素還元装置100(図1)と異なる。
{Second embodiment}
3 is a schematic diagram showing a configuration example of a carbon dioxide reduction device according to a second embodiment of the present invention. The carbon
太陽電池20は、透明基板1の上に配置され、酸化電極2と透明基板1を透過した光9で電圧を生じさせる。太陽電池20は、結晶系シリコン太陽電池、単結晶シリコン太陽電池、多結晶シリコン太陽電池、アモルファスシリコン太陽電池、化合物半導体太陽電池、色素増感太陽電池の何れかを用いることができる。The
太陽電池20は、透明基板20cの上にカソード電極20aとアノード電極20bが成膜されて構成される。カソード電極20aは酸化電極2に接続され、アノード電極20bは可変抵抗器8の酸化電極2側の端子に接続される。The
カソード電極20aとアノード電極20bのバンドギャップは、酸化電極2のバンドギャップより狭いことが好ましい。酸化電極2は、上記の変形例1の構成であっても構わない。The band gap of the
以上説明したように本実施形態に係る二酸化炭素還元装置200は、酸化電極2にカソード電極20aを接続させ、アノード電極20bを可変抵抗器8に接続させる太陽電池20を備える。これにより、光エネルギーを利用して還元電極3の電圧を更に高めることができる。また、太陽電池20は、酸化電極2で吸収される光9以外の波長の光を電力に変換する。よって、二酸化炭素還元装置200は、光エネルギーを広い波長領域にわたって有効に利用することができる。As described above, the carbon
なお、図3に示す太陽電池20は、PN接合が1層の1素子の例を示す。1素子の場合の太陽電池20の端子電圧は0.3V~約0.6V、2素子の場合は約0.6V~1.2V、3素子の場合は約0.9V~1.8Vである。2素子又は3素子の場合は、カソード電極20aとアノード電極20bの組を2つ又は3つ積層する。このように太陽電池20の積層数で還元電極3の電圧を変えることができる。
The
また、太陽電池20と可変抵抗器8は、その接続関係を入れ替えてもよい。つまり、可変抵抗器8を酸化電極2側に、太陽電池20を還元電極3側に配置してもよい。In addition, the
要するに太陽電池20は、可変抵抗器8に直列に接続される。可変抵抗器8を酸化電極2側に配置すると、酸化電極2の電圧が太陽電池20の発電電圧よりも小さい場合、可変抵抗器8による電圧調整は酸化電極2のみに影響を及ぼすので、より細かな電圧調整が可能になる。In short, the
(変形例2)
図4は、第2実施形態で説明した太陽電池20の変形例を示す模式図である。図4に示すように、太陽電池20は、酸化電極2と反対側の透明基板1の表面に形成してもよい。なお、太陽電池20は、電解液5の表面から露出させる。
(Variation 2)
Fig. 4 is a schematic diagram showing a modified example of the
このように、本変形例の太陽電池20は、酸化電極2が成膜される透明基板1の電解液5と反対側の面に形成され、電解液5の表面から露出している。これにより、透明基板20cが不要になり、透明基板の数を1枚に減らせるので光エネルギーの利用効率を高めることができる。In this way, in the
(実験)
上記の第2実施形態で電気化学測定を行った。実験条件を説明する。
(experiment)
Electrochemical measurements were carried out in the second embodiment described above. The experimental conditions will be described.
酸化電極2は、サファイア上にn型半導体であるGaNの薄膜、AlGaNの順にエピタキシャル成長させ、その上にNiを真空蒸着し、熱処理を行うことでNiOの助触媒薄膜を形成して構成した。透明基板と酸化電極2は、電解液5に浸漬させた。The
電解液5は、1.0mol/Lの水酸化カリウム水溶液を用いた。
還元電極3は銅板を用いた。銅板の表面において二酸化炭素の還元反応が進行する。A copper plate was used as the
酸化槽6と還元槽7を分ける電解質膜4は、ナフィオン(登録商標)を用いた。
The
太陽電池20は、スフェラーパワー社製(形名:KSP-0C-1830MR-ER-X03)を任意の数、直列接続して用いた。
The
可変抵抗器8は、Bourns社製のポテンショメーター(型番:3386V-1-203LF)を用いた。
The
光9は、太陽光の代わりに300Wのキセノンランプを用いた。450nm以上の波長をフィルターでカットし、照度を6.6mW/cm2とした。そして、酸化電極2の光9の照射面を2.5cm2とした。
A 300 W xenon lamp was used as the
酸化槽6にヘリウム、還元槽7に二酸化炭素を、それぞれ流量5ml/minで且つ圧力0.18MPaでバブリングした。ヘリウムのバブリングは、反応生成物を分析する目的で行った。ヘリウムと二酸化炭素を十分に置換し、上記の光9を照射した。Helium was bubbled into the
光9の照射によって、酸化電極2と還元電極3の間に流れる電流を、電気化学測定装置(Solartron社製、1287型ポテンショガルバノスタット)で測定した。
The current flowing between the
酸化槽6及び還元槽7で生じるガスと液体を採取し、ガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ、及びガスクロマトグラフ質量分析計を用いて反応生成物を分析した。
The gases and liquids produced in the
二酸化炭素還元反応のファラデー効率を計算した。二酸化炭素のファラデー効率は、光照射又は電圧印加によって酸化電極2と還元電極3の間を移動した電子数に対して、二酸化炭素還元反応に使われた電子数の割合を示すものである。The Faraday efficiency of the carbon dioxide reduction reaction was calculated. The Faraday efficiency of carbon dioxide indicates the ratio of the number of electrons used in the carbon dioxide reduction reaction to the number of electrons transferred between the
ここで式(1)の「還元反応の電子数」は、二酸化炭素の還元生成物の積算生成量の測定値を、その生成反応に必要な電子数に換算することで求める。還元反応生成物の濃度をA(ppm)、キャリアガスの流量をB(L/sec)、還元反応に必要な電子数をZ(mol)、ファラデー定数をF(C/mol)、気体のモデル体をVm(L/mol)、光照射又は電圧印加時間をT(sec)とした場合、「還元反応の電子数」は次式で計算できる。 Here, the "number of electrons in the reduction reaction" in formula (1) is calculated by converting the measured cumulative amount of the reduction product of carbon dioxide into the number of electrons required for the production reaction. If the concentration of the reduction reaction product is A (ppm), the flow rate of the carrier gas is B (L/sec), the number of electrons required for the reduction reaction is Z (mol), the Faraday constant is F (C/mol), the model body of the gas is Vm (L/mol), and the time of light irradiation or voltage application is T (sec), the "number of electrons in the reduction reaction" can be calculated using the following formula.
(実験)
実験は、第2実施形態(図3)の構成で二酸化炭素還元反応のファラデー効率を求めた。
(experiment)
In the experiment, the Faraday efficiency of the carbon dioxide reduction reaction was obtained in the configuration of the second embodiment (FIG. 3).
光9は、定量化が容易な光にする目的で300Wの高圧キセノンランプ(波長450nm以上をフィルターでカット)、照度6.6mW/cm2の光を用いた。そして、酸化電極2が照射面となるように配置した。
The
太陽電池20は、スフェラーパワー社製(形名:KSP-0C-1830MR-ER-X03)を2個直列接続して用いた。
Two
可変抵抗器8は、Bourns社製のポテンショメーター(型番:3386V-1-203LF)を用いた。
The
還元電極3の電圧を、可変抵抗器8を変化させて0.1Vずつ変化させた場合の実験1の結果を図5と図6に示す。それぞれの横軸は酸化電極2を基準にした還元電極3の電圧、縦軸はファラデー効率を示す。
図5は、生成物を一酸化炭素とした場合である。図5に示すように、可変抵抗器8を用いることで還元電極3の電圧を連続的に変化させることができる。その結果、一酸化炭素のファラデー効率の最大値は0.7~0.9Vの間にあり、約18%であることが分かる。
The results of
Figure 5 shows the case where the product is carbon monoxide. As shown in Figure 5, the voltage of the
図6は、生成物をギ酸とした場合である。図5に示すように、ギ酸のファラデー効率の最大値は0.6~0.8Vの間にあり、約2%であることが分かる。 Figure 6 shows the case where the product is formic acid. As shown in Figure 5, the maximum value of the faradaic efficiency of formic acid is between 0.6 and 0.8 V, which is about 2%.
図7と図8は、比較例の還元電極3の電圧とファラデー効率の関係を示す。比較例は、第2実施形態(図3)の構成から可変抵抗器8を削除した構成である。比較例の図示は省略する。7 and 8 show the relationship between the voltage of the
図7は、図5に対応する比較例の結果を示す。図8は、図6に対応する比較例の結果を示す。図7の横軸と縦軸の関係は図5と同じである。図8の横軸と縦軸の関係は図6と同じである。 Figure 7 shows the results of a comparative example corresponding to Figure 5. Figure 8 shows the results of a comparative example corresponding to Figure 6. The relationship between the horizontal and vertical axes in Figure 7 is the same as in Figure 5. The relationship between the horizontal and vertical axes in Figure 8 is the same as in Figure 6.
図7に示すように、還元電極3の電圧は太陽電池20の素子数で制御するため、0.6Vと1.2Vといった離散的な値しかとることができない。したがって、本実施形態で得られるファラデー効率の最大値(約18%)は、比較例で得ることができない。図7に示す例では、約16%(0.6V)と約9%(1.2V)である。As shown in Figure 7, the voltage of the
図8に示す生成物をギ酸とした場合の結果も同様である。図8の説明は省略する。The results are similar when the product shown in Figure 8 is formic acid. Explanation of Figure 8 is omitted.
以上説明したように、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置100,200によれば、電力を使用することなく還元電極3の電圧を連続的に可変することができる。よって、外部電源を用いることなく二酸化炭素還元反応のファラデー効率を最大化することが可能である。したがって、二酸化炭素還元装置100,200を用いたシステム全体の効率を高めることができる。As described above, the carbon
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。例えば、実施形態では光9をキセノンランプで生じさせたが、太陽光を用いてもよい。The present invention is not limited to the above embodiment, and modifications are possible within the scope of the invention. For example, in the embodiment, the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。As such, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention-specific matters related to the scope of the claims that are appropriate from the above description.
本発明は、二酸化炭素の再資源化に関する分野に広く利用することができる。 The present invention can be widely used in the field of carbon dioxide recycling.
1:透明基板
2:酸化電極
3:還元電極
4:電解質膜
5:電解液
6:酸化槽
7:還元槽
8:可変抵抗器
9:光
20:太陽電池
20a:カソード電極
20b:アノード電極
1: Transparent substrate 2: Oxidation electrode 3: Reduction electrode 4: Electrolyte membrane 5: Electrolyte solution 6: Oxidation tank 7: Reduction tank 8: Variable resistor 9: Light 20:
Claims (4)
前記酸化電極が浸漬される電解液を保持する酸化槽と、
還元電極と、
前記還元電極が浸漬され、外部から二酸化炭素がバブリングされる前記電解液を保持する還元槽と、
前記酸化槽と前記還元槽の間に配置され前記電解液を酸化側と還元側に二分する電解質膜と、
前記酸化電極と前記還元電極の間に接続される可変抵抗器と
を備える二酸化炭素還元装置。 an oxidation electrode formed on a transparent substrate and configured to receive light from outside;
an oxidation tank for holding an electrolyte in which the oxidation electrode is immersed;
A reduction electrode;
a reduction tank for holding the electrolytic solution in which the reduction electrode is immersed and carbon dioxide is bubbled from the outside;
an electrolyte membrane disposed between the oxidation chamber and the reduction chamber and dividing the electrolyte into an oxidation chamber and a reduction chamber;
and a variable resistor connected between the oxidation electrode and the reduction electrode.
2層の半導体膜が積層されて構成され、前記還元電極側に配置される第2の前記半導体膜の伝導体帯のエネルギー準位は、第1の前記半導体膜の価電子帯のエネルギー準位より高く、第2の半導体膜の価電子帯のエネルギー準位は、第1の半導体膜の伝導帯のエネルギー準位より低い
請求項1に記載の二酸化炭素還元装置。 The oxidation electrode is
2. The carbon dioxide reduction device according to claim 1, wherein the device is configured by stacking two semiconductor films, and the energy level of the conductor band of the second semiconductor film disposed on the reduction electrode side is higher than the energy level of the valence band of the first semiconductor film, and the energy level of the valence band of the second semiconductor film is lower than the energy level of the conduction band of the first semiconductor film.
該太陽電池は、前記可変抵抗器に直列に接続される
請求項1又は2に記載の二酸化炭素還元装置。 Equipped with solar cells,
The carbon dioxide reduction device according to claim 1 or 2, wherein the solar cell is connected in series with the variable resistor.
前記酸化電極が成膜される前記透明基板の前記電解液と反対側の面に形成され、前記電解液の表面から露出している請求項3に記載の二酸化炭素還元装置。 The solar cell comprises:
4. The carbon dioxide reduction device according to claim 3, wherein the oxidation electrode is formed on a surface of the transparent substrate opposite to the electrolyte solution on which the film is formed, and is exposed from the surface of the electrolyte solution.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2021/019945 WO2022249314A1 (en) | 2021-05-26 | 2021-05-26 | Carbon dioxide reduction device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2022249314A1 JPWO2022249314A1 (en) | 2022-12-01 |
| JP7598059B2 true JP7598059B2 (en) | 2024-12-11 |
Family
ID=84228633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023523788A Active JP7598059B2 (en) | 2021-05-26 | 2021-05-26 | Carbon Dioxide Reduction Device |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7598059B2 (en) |
| WO (1) | WO2022249314A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025253461A1 (en) * | 2024-06-03 | 2025-12-11 | Ntt株式会社 | Artificial photosynthesis device |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4523981A (en) | 1984-03-27 | 1985-06-18 | Texaco Inc. | Means and method for reducing carbon dioxide to provide a product |
| WO2020151729A1 (en) | 2019-01-23 | 2020-07-30 | 华为技术有限公司 | Communication method and communication apparatus |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105209664A (en) * | 2013-07-05 | 2015-12-30 | 松下知识产权经营株式会社 | Method for reducing carbon dioxide |
| JP6951310B2 (en) * | 2018-09-19 | 2021-10-20 | 株式会社東芝 | Electrochemical reactor |
-
2021
- 2021-05-26 WO PCT/JP2021/019945 patent/WO2022249314A1/en not_active Ceased
- 2021-05-26 JP JP2023523788A patent/JP7598059B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4523981A (en) | 1984-03-27 | 1985-06-18 | Texaco Inc. | Means and method for reducing carbon dioxide to provide a product |
| WO2020151729A1 (en) | 2019-01-23 | 2020-07-30 | 华为技术有限公司 | Communication method and communication apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2022249314A1 (en) | 2022-12-01 |
| WO2022249314A1 (en) | 2022-12-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jeon et al. | A monolithic and standalone solar-fuel device having comparable efficiency to photosynthesis in nature | |
| JP5753641B2 (en) | Carbon dioxide reduction apparatus and method for reducing carbon dioxide | |
| Chandran et al. | Solar-driven sustainability: III–V semiconductor for green energy production technologies | |
| US10242806B2 (en) | Solar fuels generator | |
| Lu et al. | Microbial photoelectrosynthesis for self-sustaining hydrogen generation | |
| M. Bashir et al. | Sixteen percent solar-to-hydrogen efficiency using a power-matched alkaline electrolyzer and a high concentrated solar cell: effect of operating parameters | |
| EP2694702A1 (en) | Proton exchange membrane electrolysis using water vapor as a feedstock | |
| Kamemoto et al. | Photocatalytic water splitting on Cu2SnS3 photoelectrode: effects of Cu/Sn composite ratio on the photoelectrochemical performance | |
| WO2014006864A1 (en) | Method for producing alcohol | |
| Shen et al. | Bi–Sn Co-catalyst-modified p-Si nanowire array photocathodes for photoelectrocatalytic CO2 reduction to formate | |
| JP7598059B2 (en) | Carbon Dioxide Reduction Device | |
| Bosserez et al. | Minimization of ionic transport resistance in porous monoliths for application in integrated solar water splitting devices | |
| KR20160111256A (en) | Photoelectrochemical artificial photosynthesis device | |
| JP7356067B2 (en) | Carbon dioxide gas phase reduction device and carbon dioxide gas phase reduction method | |
| KR20170049488A (en) | Photoelectrochemical artificial photosynthesis device | |
| JP7594215B2 (en) | Porous electrode-supported electrolyte membrane and method for producing the same | |
| US20250333861A1 (en) | Reduction Electrode and Manufacturing Method of Reduction Electrode | |
| JP7594216B2 (en) | Apparatus and method for reducing carbon dioxide in the gas phase | |
| WO2024228234A1 (en) | Carbon dioxide reduction reaction device | |
| JP7791452B2 (en) | Porous electrode-supported electrolyte membrane and method for producing the same | |
| US20250027220A1 (en) | Electrolyte Membrane | |
| WO2022107189A1 (en) | Carbon dioxide reduction device | |
| Mahana et al. | Fabrication of photoelectrochemical panels | |
| Sugiyama | Future Perspective | |
| Shyamal et al. | Hydrogen Production Through Solar-Driven Water Splitting: Cu (I) Oxide-Based Semiconductor Nanoparticles as the Next-Generation Photocatalysts |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231030 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20241029 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20241111 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7598059 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |