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Aug 28, 2023

酸素の役割

Nature Communications volume 14、記事番号: 2040 (2023) この記事を引用 7711 アクセス数 1 引用数 2 Altmetric Metrics の詳細 バイオマスの価値化と炭素の電気化学的カップリング

Nature Communications volume 14、記事番号: 2040 (2023) この記事を引用

7711 アクセス

1 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

バイオマスの価値化と二酸化炭素 (CO2) 変換の電気化学的結合は、電解槽の両側で付加価値のある化学物質を生成するための有望なアプローチを提供します。 ここでは、酸素空孔に富んだオキシ水酸化インジウム (InOOH-OV) が、ギ酸塩への CO2 還元と 2,5-フランジカルボン酸への 5-ヒドロキシメチルフルフラール電気酸化のための二機能性触媒として開発されており、最適化された電位で両方とも 90.0% 以上のファラデー効率を実現します。 原子スケールの電子顕微鏡画像と密度汎関数理論の計算により、酸素欠損サイトの導入により格子の歪みと電荷の再分布が生じることが明らかになりました。 オペランド ラマン スペクトルは、酸素欠損が InOOH-OV が CO2 変換中にさらに還元されるのを防ぎ、アルカリ電解質中で水酸化物イオンに対する 5-ヒドロキシメチルフルフラールの吸着競合性を高め、InOOH-OV を主族 p ブロック金属酸化物電極触媒にする可能性があることを示しています。二機能的な活動。 InOOH-OV の触媒性能に基づいて、単一の電気化学セル内で CO2 還元と 5-ヒドロキシメチルフルフラール酸化を組み合わせて pH 非対称統合セルを製造し、2,5-フランジカルボン酸とギ酸を高収率で生成します (両方とも約90.0%)、貴重な汎用化学物質を両方の電極で同時に生成する有望なアプローチを提供します。

CO2 電気化学還元反応 (CO2RR) は、地球温暖化の緩和と貴重な化学物質の生産の両方において、電気化学研究の最前線のホットスポットの 1 つとして浮上しています 1、2、3。 一般的な CO2RR 試験電極は、通常、対電極として酸素発生反応 (OER) と組み合わせられますが、OER の反応速度は遅いため、エネルギー消費が高くなります4,5。 さらに、O2 製品は、その現在の価値 (~0.03 ドル/kg) から見て、電気分解システムの経済的利益を制限します 6、7、8。 これらの問題に取り組むための有望なアプローチの 1 つは、OER を、より低い熱力学的ポテンシャルでのバイオマス由来の小分子の酸化価値化プロセスに置き換えることです7。これは、水素発生反応 (HER) の電解セル電圧を下げるのに効果的であることがすでに証明されています。 5、9、10。 CO2RR とバイオマス由来の小分子の酸化を組み合わせた統合電解セルを構築することで、全体的なエネルギー効率が向上するだけでなく、両方の電極で高付加価値の製品を得ることができます。

カソードでの CO2RR の考えられる還元生成物の中で、ギ酸 (HCOOH) は、多くの工業プロセスで重要な化学中間体、水素貯蔵用の潜在的な液体化合物、さらには燃料として直接使用される可能性があるため、非常に重要です。ギ酸燃料電池11、12、13。 陽極反応の有望な候補は、リグノセルロース系バイオマス由来の小分子である 5-ヒドロキシメチルフルフラール (HMF) の酸化です。 HMF は活性なヒドロキシル基とアルデヒド基の存在により、化学産業に役立つさまざまな高価値の化学前駆体に変換できます 14,15。 具体的には、2,5-フランジカルボン酸 (FDCA) は、HMF の 2 つの酸素含有基がカルボキシルに酸化されて生成され、米国エネルギー省が主張する糖由来のプラットフォーム化学物質のトップ 12 の 1 つです 16,17。 したがって、陰極CO2RRと陽極HMF酸化反応（HMFOR）の電気化学的カップリングは、1つの電解セル内での付加価値化学物質（HCOOHやFDCAなど）の同期生産に大きな期待を抱かせるはずです（図1a）。 図 1a に含まれる半電池と全体の反応を以下に示します。

統合システムに高い生産効率を与えるためには、2 つの問題に対処する必要があります。i) 中性電解質は CO2RR にとって有利であるため、効果的な非対称電解セルを開発する必要があります 18。一方、強力な塩基性環境は FDCA の生産を著しく加速することができます 14,19。 ii) 触媒の活性と選択性は、カソードとアノードでそれぞれ対応する競合的な HER 反応と OER 反応を抑制することにより、HCOOH と FDCA の両方の生産効率を向上させる必要があります。 したがって、非対称な pH 値の電解セルで効率的な CO2RR および HMFOR を実現するための二官能性触媒のクラスを開発することは非常に望ましいですが、依然として課題です。 CO2RR および HMFOR 二官能性触媒が実現すれば、電解セルの構造を簡素化し、異なる触媒の合成を回避できるため、実用化に向けてエネルギーとコストを節約できます (下記を参照)。