电解槽用电极催化剂层、电解槽用电极及二氧化碳电解装置制造方法及图纸

实施方式提供电解槽用电极催化剂层、电解槽用电极和二氧化碳电解装置，电解槽用电极催化剂层具备碳材料、担载在碳材料上的金属催化剂、和疏水性有机物。在实施方式的电解槽用电极催化剂层中，疏水性有机物具备含硫的有机物。含硫的有机物在与金属催化剂之间形成有金属

【技术实现步骤摘要】
电解槽用电极催化剂层、电解槽用电极及二氧化碳电解装置
[0001]本专利技术以日本专利申请2022
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044221(申请日：3/18/2022)为基础并享受上述申请的优先权。本申请通过参照上述申请而全部包含该申请的内容。


[0002]本专利技术的实施方式涉及电解槽用电极催化剂层、电解槽用电极及二氧化碳电解装置。

技术介绍

[0003]近年来，从能源问题和环境问题两方的观点出发，不仅期望着将太阳光等可再生能源转换为电能来加以利用，而且还期望着将其储存且转换为可搬运的状态。对于这样的期望，在开展如利用植物的光合成那样利用太阳光生成化学物质的Power to Chemical技术的研究开发。期待着通过这样的技术能够以可储存的燃料等的形式储存可再生能源，通过生成成为工业原料的化学物质来产生价值。
[0004]作为采用太阳光等可再生能源生成化学物质的装置，例如已知有对从发电厂及垃圾焚烧炉等产生的二氧化碳(CO2)进行还原的电解装置。CO2电解装置具备通过还原CO2来生成一氧化碳(CO)等碳化合物的阴极(还原电极)和对水(H2O)及氢氧根离子(OH
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)进行氧化的阳极(氧化电极)。在这样的CO2电解装置中，应用隔着离子交换膜等隔膜层叠阴极和阳极的槽方式(电解槽)是有效的，通过将CO2直接供给至电解槽的阴极催化剂层，能够迅速进行CO2的还原反应。在这样的电解槽中，在谋求通过适当地控制阴极催化剂层的结构，来提高阴极中的催化剂反应并使其效率化，同时长时间地维持电解槽的性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的课题在于，提供一种可提高二氧化碳电解装置中的还原电极(阴极)中的催化剂反应并使其效率化，同时可长时间地维持电解槽的性能的电解槽用电极催化剂层、电解槽用电极及二氧化碳电解装置。
[0006]实施方式的电解槽用电极催化剂层具备碳材料、担载在所述碳材料上的金属催化剂、和疏水性有机物。在实施方式的电解槽用电极催化剂层中，所述疏水性有机物具备含硫的有机物。所述含硫的有机物在与所述金属催化剂之间形成金属
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硫键。所述催化剂层中的所述金属催化剂中的硫元素(S)相对于金属元素(M)的质量比(S/M)为0.03以上且0.1以下。
[0007]实施方式的电解槽用电极具备：导电性基材、和设在所述导电性基材上的上述的电极催化剂层。
[0008]一种二氧化碳电解装置，其具备：电解槽，所述电解槽具备阴极部、阳极部、和将所述阴极部和所述阳极部分离的隔膜，所述阴极部具有以与二氧化碳接触的方式配置、且通过对所述二氧化碳进行还原而生成碳化合物的由上述的电极构成的阴极、和向所述阴极供给二氧化碳的气体流路，所述阳极部具有以与含水或氢氧根离子的阳极溶液接触的方式配置、且用于通过对所述水或氢氧根离子进行氧化而生成氧的阳极、和向所述阳极供给所述
阳极溶液的阳极溶液流路，
[0009]气体供给部，其向所述气体流路供给二氧化碳，和
[0010]溶液供给部，其向所述阳极溶液流路供给所述阳极溶液；
[0011]所述阴极及所述阳极以从电源供给电流的方式构成。
附图说明
[0012]图1是表示实施方式的电解槽用电极的图。
[0013]图2是表示实施方式的二氧化碳电解槽及采用其的二氧化碳电解装置的第1例的图。
[0014]图3是表示实施方式的二氧化碳电解槽及采用其的二氧化碳电解装置的第2例的图。
[0015]图4是表示采用实施例及比较例的二氧化碳电解装置的一氧化碳的生成效率的时间变化的图。
[0016](符号说明)
[0017]1：电解槽用电极、2：导电性基材、3：催化剂层、10：二氧化碳电解装置、20：电解槽、30：阴极部、31：阴极、32：气体流路、40：阳极部、41：阳极、42：阳极溶液流路、50：隔膜、60：气体供给部、70：阳极溶液供给部、80：电源。
具体实施方式
[0018]以下，参照附图对实施方式的电解槽用的电极催化剂层及电极和二氧化碳电解装置进行说明。再者，各实施方式中，实质上对同一构成部位标记同一符号，有时部分省略其说明。附图是示意图，各部的厚度与平面尺寸的关系、各部的厚度的比率等有时与实际不同。
[0019]图1是表示实施方式的电解槽用电极1的图。电极1是在二氧化碳电解装置中用于二氧化碳(CO2)的还原的还原电极(阴极)，具备导电性基材2和设在导电性基材2上的催化剂层(电极催化剂层)3。催化剂层3为阴极催化剂层。导电性基材2例如具备含有选自钛、镍、铁及碳中的至少1种的材料。但是，导电性基材2的构成材料并不限定于这些。导电性基材2与后述的催化剂层3同样，优选为网状材料、冲孔材料、多孔体、金属纤维烧结体等具有多孔质结构的基材，以容易进行气体的扩散及水的排出等。
[0020]采用了实施方式的电解槽用电极1的二氧化碳电解装置如后所述，是通过用阴极(还原电极)对二氧化碳(CO2)进行还原而生成碳化合物，且通过用阳极(氧化电极)对水(H2O)或氢氧根离子(OH
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)进行氧化而生成氧(O2)的装置。作为通过阴极生成的碳化合物，可列举一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、甲醇(CH3OH)、乙醇(C2H5OH)、乙二醇(C2H6O2)等。
[0021]催化剂层3具备碳材料、担载在碳材料上的金属催化剂、和疏水性有机物。在这样的催化剂层3中，疏水性有机物具备含硫的有机物，含硫的有机物在与金属催化剂之间形成金属
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硫键。在催化剂层3中，金属催化剂中的硫元素(S)相对于金属元素(M)的质量比(S/M)为0.03以上且0.1以下。通过这样的催化剂层3，能够提高利用还原电极(阴极)1的CO2的还原效率及基于其的一氧化碳(CO)等碳化合物的生成效率，且可长时间维持碳化合物的生成
效率(CO的生成效率等)。以下对催化剂层3的详情进行叙述。
[0022]催化剂层3中的碳材料作为金属催化剂的载体发挥功能，例如含有选自碳粒子、碳纳米管、活性炭及石墨烯中的至少1种。作为催化剂载体的碳材料优选具有多孔质结构。作为可采用的材料，例如可列举科琴黑或VulcanXC
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72(商品名，CABOT公司制造)等碳黑、活性炭、碳纳米管、石墨烯等。碳材料通过具有多孔质结构，而使有助于氧化还原反应的活性面的面积增大，因此能够提高转换效率。
[0023]不仅上述的催化剂载体、而且形成于导电性基材2上的催化剂层3本身也优选具有多孔质结构，较多地具有比较大的空孔。具体地讲，在采用汞压入法测定的催化剂层3的细孔径分布中，优选在直径5μm以上且200μm以下的范围中空孔的分布频率为最大。在此种情况下，气体容易向催化剂层3内全体飞快地扩散，还原产物也容易经由此路径排出至催化剂层3外，所以能够形成高效率的电极1。
[0024]为了向催化剂层3中高效率地供给CO2，优选在担载催化剂层3的导电性基材(电极基材)2上设置气体扩散层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解槽用电极催化剂层，其是具备碳材料、担载在所述碳材料上的金属催化剂、和疏水性有机物的二氧化碳的电解槽用电极催化剂层，其中，所述疏水性有机物具备含硫的有机物，所述含硫的有机物在与所述金属催化剂之间形成有金属
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硫键，所述催化剂层中的所述金属催化剂中的硫元素相对于金属元素的质量比为0.03以上且0.1以下。2.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其中，相对于所述碳材料、所述金属催化剂及所述疏水性有机物的合计质量，按5质量％以上且25质量％以下的范围含有所述含硫的有机物。3.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其中，所述含硫的有机物相对于所述金属催化剂的质量比为0.3以上且0.9以下。4.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其还具备离子传导性物质，所述离子传导性物质的固体质量相对于所述碳材料和所述金属催化剂的合计质量为0.1倍以上且1倍以下。5.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其还具备平均直径为10nm以上且100nm以下、平均长度为5μm以上且100μm以下的碳纤维，所述催化剂层中的所述碳纤维的比率为10质量％以上且70质量％以下。6.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其中，所述含硫的有机物具有噻吩环。7.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其中，所述催化剂层的厚度为5μm以上且200μm以下。8.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其中，所述碳材料含有选自碳粒子、碳纳米管、活性炭及石墨烯中的至少1种。9.根据权利要求1所述的电解槽用电极催化剂层，其中，所述金属催化剂具备选自金...

【专利技术属性】
技术研发人员：米津麻纪，小藤勇介，北川良太，御子柴智，工藤由纪，元茂朝日，小野昭彦，吉田孝史，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：