方法論記事

ギ酸電気合成のための酸・アルカリ非対称二酸化炭素－グリセロール対電解

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DOI:

10.3791/73822

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2026年9月29日

 ,  , 
1College of Materials Science and Engineering, State Key Laboratory of Advanced Separation Membrane Materials, Zhejiang University of Technology, 2Laboratory of Advanced Materials, Fudan University

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

本プロトコルでは、カソードでのCO2電解還元とアノードでのグリセロール電解酸化を組み合わせた酸・アルカリ非対称フローセルシステムについて説明します。これにより、従来の酸素発生反応を利用する場合と比較して消費電力を大幅に削減し、エネルギー効率の高いギ酸の共生産が可能になります。

要約

本プロトコルでは、酸性媒体中のカソードにおける二酸化炭素電解還元反応（CO2RR）と、アルカリ性媒体中のアノードにおけるグリセロール電解酸化反応（GOR）を組み合わせ、ギ酸を効率的に共生産するためのフローセル構成について解説します。酸・アルカリ非対称電解液設計に基づくデュアル電解合成システムは、酸・塩基中和エネルギーを有用な電気化学的駆動力に変換することで電子利用効率を高め、それによってギ酸の電解合成を促進します。酸化物由来ビスマスナノシート（OD-Bi NSs）を化学沈殿法とそれに続く電解還元により合成し、CO2RRによるギ酸変換のカソード触媒として採用しました。一方、化学沈殿およびその後の焼成により調製したCo3O4 ナノロッド触媒を、Cu2+補助によるギ酸へのGORのアノード触媒として使用しました。ここでは、アノライトに添加した微量のCu2+がGOR活性を向上させます。その後、ハイブリッド電解槽を用いて、OD-Bi NSsおよびCo3O4 触媒の過電圧、ギ酸選択性、活性などの性能を評価しました。酸素発生反応と組み合わせた従来のCO2RRと比較して、CO2RR-GORペア電解システムは、消費電力を大幅に削減し、ギ酸の生産量を向上させることが示されました。

概要

電気化学的な二酸化炭素還元反応（CO2（RR）を高付加価値化学物質へと変換することは、炭素利用および再生可能エネルギー貯蔵のための有望な戦略として台頭している。1,2,3,4,5さまざまなCO2 還元生成物の中で、ギ酸（HCOOH）は、高い体積エネルギー密度、貯蔵および輸送の容易さ、ならびに化学合成や燃料電池における幅広い用途を持つことから、特に魅力的である。6,7,8ビスマス（Bi）ベースの触媒は、*OCHO中間体に対して適切な結合親和性を有するため、ギ酸生成に対して優れた選択性を示すことが実証されている。7,9 および水素発生反応の抑制10.

これらの利点があるにもかかわらず、CO­2RRの実用的な実装は、陽極の酸素発生反応（OER）と組み合わせた際のエネルギー消費量の多さによって依然として妨げられています11,12。OERは熱力学的に困難な4電子プロセスであり、反応速度が遅いため、セル電圧の上昇とフルセルのエネルギー効率の低下を招きます13,14。この課題を解決するために、OERを熱力学的に有利な有機酸化反応に置き換えることが、電力量の削減と同時に高付加価値化合物を生成するための有効な戦略となっています11,15,16。

グリセロールは安価であり、高機能な製品へとアップグレードできるため、グリセロール酸化反応（GOR）は代替アノード反応として大きな注目を集めています。17,18さらに、GORはOERと比較して低い酸化電位（可逆水素電極（RHE）に対して0.69 V）を示します。>1.23 V 対（RHE）であり、有用なギ酸を生成できるため、カソードでのCO2還元によるギ酸電解合成システムを実現することが可能となる。2RR由来ギ酸18,19,20,21非貴金属ベースの酸化物、特にCoベースの酸化物は、その低コスト性、耐食性、および制御されたスピネル構造から、このような方法で探索されてきました。22,23近年の研究により、COの結合の実現可能性が示されています。₂非貴金属遷移金属を用いたGORによるBi/C触媒を用いたRR24,25, 白金ベース触媒26,27 および金ベースの触媒28 ギ酸の共生産のため。これらのシステムでは主に中性電解質またはカソライトフリーの膜電極接合体が採用されており、これにより（重）炭酸塩の沈殿が誘発され、反応活性が低下します。CO還元に酸性カソライトを使用することで2RRは（重）炭酸塩の生成を抑制し、それによって炭素効率を向上させることができる。一方で、GORにアルカリ性アノライトを使用することで、非貴金属電極触媒を用いたグリセロールの電極酸化およびC-C結合切断によるギ酸の生成を促進できる。29,30さらに、このような非対称電解質構成により、プロトンと水酸化イオンの再結合による酸・塩基中和エネルギーを介して、さらなる電気エネルギーが得られます。11,31したがって、この戦略は全体のセル電圧を低下させるだけでなく、ギ酸電解合成のエネルギー消費効率を向上させる。

本研究では、酸・アルカリ非対称電解槽において、酸性条件下でのCO2RRとアルカリ性条件下でのGORを組み合わせ、ギ酸を効率的に共生産するためのフローセルプロトコルを提供する。選択的なCO2からギ酸への変換のためのカソード触媒として酸化物由来Biナノシート（OD-Bi NSs）を用い、Cu2+補助によるグリセロールからギ酸への酸化のためのアノード触媒としてCo3O4ナノロッドを用いる。アノライトに微量のCu2+を導入することで、反応中間体との反応、Cu+への移行、および再酸化のサイクルを通じてGORの動力学が大幅に向上し、アノード過電圧がさらに低減される。この統合システムは、従来のCO2RR-OER電解と比較して、消費電力が大幅に低く、ギ酸の生産量も向上している。従来のCO₂RR-GORカップリングに関する研究と比較して、本設計システムは、プロトンと水酸化物の再結合による中和エネルギーを利用してセル電圧全体をさらに低減し、（重）炭酸塩の生成を回避する酸・アルカリ非対称設計を独自に統合している。したがって、本プロトコルの主要な進歩は、以前に報告されたシステムのような個々のCO₂RRまたはGOR触媒の最適化ではなく、酸・アルカリ非対称構成を採用することで、両電極で選択的なギ酸生産を維持しつつ、動作セル電圧を低下させた点にある。本プロトコルは、CO2電解還元、グリセロール酸化、および省エネルギー化学生産のためのペア電解システムを含む、幅広い研究設定に適用可能である。

プロトコル

本プロトコルではヒト参加者または動物被験者を対象としていないため、機関の倫理承認は不要でした。

1. OD-Bi触媒の調製

  1. BiOCl前駆体の調製
    1. 4.85 gのBi(NO3)3·5H2Oを10 mLの脱イオン（DI）水に溶解させて溶液Aとし、0.745 gのKClと1.9 mLの濃HClを10 mLのDI水に加えて溶液Bとする。
      ​注意：濃HClは腐食性が高く、揮発性がある。耐酸性手袋と保護メガネを着用し、ドラフトチャンバー内で取り扱うこと。
    2. 溶液Aと溶液Bを混合し、25 °Cで12時間攪拌して白色沈殿を生成させる。
    3. 生成した白色沈殿を回収し、それぞれ50 mLのエタノールと50 mLのDI水で繰り返し洗浄した後、60 °Cで12時間真空乾燥させてBiOCl前駆体を得る。
  2. BiOCl電極の調製
    1. 3 mgのBiOCl前駆体と30 µLのNafion D–520分散液を1 mLのエタノールに加え、電極スラリーとする。その後、30分間超音波処理を行い、均一に分散した電極スラリーを形成させる。
    2. 調製した電極スラリーを、ガス拡散電極として1 cm × 3 cmのカーボンペーパー基板（SGL Carbon, 28BC）上に均一にドロップキャストし、前駆体担持量を約1 mg cm−2（触媒のみ）にする。
      注：有効面積は1 cm2であり、反応に使用する領域は0.5 cm × 2 cmである。
    3. 触媒をコーティングしたカーボンペーパーを、空気雰囲気下で赤外線ランプを用いて乾燥させ、BiOCl電極を得る。
  3. BiOClの電気化学的還元によるOD–Bi触媒の作製
    1. BiOCl電極を自作のフローセルに組み込む。
      注：陽極室および陰極室の内部寸法は、いずれも0.5 cm（幅）× 2 cm（長さ）× 0.5 cm（深さ）である。
    2. 8.71 gのK2SO4と27 µLの濃H2SO4 (98%) を50 mLのDI水に加え、さらにDI水で全量100 mLに希釈して酸性電解液（0.5 M K2SO4、pH = 2）とし、Ptメッシュを陽極として使用する。
      注意：濃H2SO4は腐食性が非常に高く、希釈時に発熱する。必ず酸を水にゆっくりと加えること（逆に行わないこと）。また、ドラフトチャンバー内で取り扱うこと。
    3. BiOCl電極を−300 mA cm−2の一定電流密度で5分間電気化学的に還元し、OD-Bi触媒を生成させる。

2. Co3O4触媒の調製

  1. 291.0 mgのCo(NO3)2·6H2Oを50 mLの脱イオン水に溶解して溶液Aを調製し、134.0 mgのNa2C2O4を50 mLの脱イオン水に溶解して溶液Bを調製する。
  2. 溶液Bに溶液Aを滴下し、25 °Cで2時間攪拌した後、12,840 × gで約15分間遠心分離して回収し、50 mLの脱イオン水で3回洗浄し、60 °Cで12時間乾燥させる。
  3. 得られた粉末を、昇温速度5 °C min−1で空気雰囲気下、350 °Cで4時間焼成し、Co3O4触媒を調製する。

3. CO2RRによるHCOOHの電気合成

  1. CO2RR中のガス生成物分析には、molecular sieve 5AとTDX–01を直列に備えたGCを使用する。
  2. H2およびCO濃度の検量線には標準ガスを使用する（H2: 1000 ppm; CO: 1001 ppm; C2H4: 1007 ppm; CH4: 1000 ppm; CO2: 1001 ppm; Arバランス）。
  3. プロトン交換膜（Nafion 117）の前処理として、Nafion 117を3 wt% H2O2水溶液に浸し、80 °Cで1時間保持して有機不純物を除去し、その後DI waterで十分にすすいで残留H₂O₂を除去する。さらに、膜を0.5 M H2SO4に浸し、80 °Cで1時間保持してスルホン酸基をプロトン化し、流出液のpHが7付近になるまでDI waterで繰り返しすすぐ。
    注意：H2O2は酸化剤であり、刺激を引き起こす可能性がある。慎重に取り扱い、適切なPPEを使用すること。
  4. フローセルの片方のコンパートメントにOD-Bi電極とAg/AgCl参照電極を配置し、もう一方のチャンバーにPtメッシュ電極を配置して、これらをNafion 117で隔てる。フローセルの各コンパートメントに電解液（0.5 M K2SO4、pH = 2）を20 mLずつ注入し、カソライトにCO2を40.0 sccm（質量流量コントローラーで監視）で1時間バブリングして、CO2飽和電解液を作成する。
    注：カソード側のエアチャンバーにCO₂を30.0 sccmで供給し、オンラインGCで流出ガスを継続的にモニターする。電解液をフローチャネルに10 mL min⁻1で供給する。
  5. 印加電位を−1.65 Vから−2.05 V vs. RHEまで段階的に変化させる。各電位で15分間保持し、 correspondingなクロノアンペロメトリー応答を記録し、各保持ステップの終了時に分析用の液体生成物を回収する。
  6. 流出液中のH2およびCOの濃度を、それぞれ熱伝導度検出器（TCD）およびメタナイザーを備えた水素炎イオン化検出器（FID）を用いて定量する。
  7. 反応後のカソライト中のHCOOH濃度を、内部標準法を用いた1H核磁気共鳴（1H-NMR）により決定する。D₂O 10 mLに0.7 µLのジメチルスルホキシド（DMSO）を加えて標準溶液を調製する。1 mLマイクロピペットを用いてカソライト0.7 mLを分取し、標準溶液0.3 mLを加えて^1H-NMRで分析する。

4. GORによるHCOOHの電解合成

  1. 3 mgのCoを添加する3O4 および 30 µL Nafion D-520分散液を1 mLのエタノールに分散させて電極スラリーを調製し、続いて30分間の超音波処理を行うことで、均一に分散した電極スラリーを形成させる。
  2. 調製した電極スラリーを、1 cmの（以下、原文が途切れていますが、通常は「1 cm四方の基板上などに」といった文脈になります）上に均一にドロップキャストしてください。 × ガス拡散電極として3 cmのカーボンペーパー基材（SGL Carbon製、28BC）を用い、前駆体の担持量を約1 mg cm⁻²とする。−2 （触媒のみ）
    注：有効面積は1 cmです2 0.5 cmの × 反応用に2 cm。
  3. 触媒をコーティングしたカーボンペーパーを、空気雰囲気下で赤外線ランプを用いて乾燥させ、Coを回収する。3O4 電極
  4. アニオン交換膜（FAB-PK-130）の前処理として、0.5 M NaCl溶液に浸漬し、 25 °C 24時間放置し、脱イオン水で洗浄する。FAB-PK-130を1 M KOH溶液に浸漬し、 25 °C 36時間浸漬し、使用前に脱イオン水で洗浄する。
    注意：KOH（水酸化カリウム）は強い腐食性があります。取り扱う際は、保護手袋およびゴーグルを着用してください。過度な発熱を避けるため、攪拌しながらKOHをゆっくりと水に溶解させてください。
  5. Coを配置します3O4 フローセルの一方のコンパートメントに陽極として電極およびAg/AgCl参照電極を、もう一方のチャンバーに陰極としてPtメッシュを配置し、これらをFAB-PK-130で隔てた。
  6. 5.61 gのKOH、0.74 mLのグリセロール、および25 mgのCuSO4を添加する。4·5H2O 100 mLの脱イオン水に加え、アルカリ電解液（1 M KOH、0.1 M グリセロール、および1 mM CuSO4）を調製する。4 （pH = 14）。
  7. 流量10 mL min⁻¹で、フローセルの各コンパートメントに電解質20 mLを注入する。−1 そして、電解質にN2をバブリングする2 窒素（N）を形成させるため、40.0 sccm（マスフローコントローラで監視）で1時間処理する。2飽和電解質
    注：Nを停止する₂ 電解測定前の気泡の発生。
  8. 印加電位を1.65 Vから2.05 Vまで段階的に変化させる。 対RHE。各電位を15分間保持し、対応するクロノアンペロメトリー応答を記録し、各保持ステップの終了時に分析用の液相生成物を回収する。
  9. 反応後、以下の方法でアノライト中のHCOOH濃度を決定する。 1内部標準法を用いたH-NMR。以下を添加して標準溶液を調製する。 0.7 µL ジメチルスルホキシド (DMSO) を10 mLまで加える₂O. 1 mLマイクロピペットを用いてアノライト0.7 mLを分取し、標準溶液0.3 mLを添加して、^1H-NMRで分析する。

5. CO2RR-GORペア電解によるHCOOHの電気合成

  1. 参照電極を用いずに、OD-Bi電極をカソード、Co3O4電極をアノードとして配置し、Nafion 117で隔てます。
  2. カソライトにはH₂SO₄でpH 2に調整した0.5 M K₂SO₄を用い、アノライトには0.1 Mグリセロールと1 mM CuSO₄を含む1 M KOHを用います。
  3. 印加セル電圧を1.6 Vから2.6 Vまで段階的に上げます。各電圧で15分間保持し、対応するクロノアンペロメトリー応答を記録し、各保持ステップの終了時に分析用の液体生成物を回収します。
  4. 流出液中のH2とCOの濃度を、それぞれTCDおよびメタナイザー付きFIDを用いて定量します。
  5. 反応後、内部標準法を用いた1H-NMRにより、カソライトおよびアノライト中のHCOOH濃度を決定します。10 mL D₂Oに0.7 µLジメチルスルホキシド（DMSO）を添加して標準溶液を調製します。1 mLマイクロピペットを用いて電解液0.7 mLを移し、標準溶液0.3 mLを添加して^1H-NMRで分析します。

6. パフォーマンスの算出

  1. ネルンストの式に従い、印加電位をRHEスケールに変換します：
    figure-protocol-1 (1)
  2. 以下のように、ガス生成物の対応するファラデー効率 (FE) を算出します：
    figure-protocol-2 (2)
    ここで、Nは電荷移動数（H2: 2; CO: 2）、C (ppm) はガス生成物の濃度、vはCO2流量の 0.5 sccs (30.0 sccmに相当)、j (A) はCO2RR中のリアルタイム電流、Fはファラデー定数 (96485 C mol−1)、vmは 1 bar および 298.15 K におけるガスの標準モル体積 (24.8 L mol−1) です。
  3. 以下のように、HCOOHのFEを算出します：
    figure-protocol-3 (3)
    ここで、Nは電荷移動数（CO2RRにより生成されたHCOOH: 2; GORにより生成されたHCOOH: 8/3）、Vは電解液量 (20 mL)、Cは生成物の濃度、Qは反応電荷です。
  4. 以下のように、HCOOHの生成速度を算出します：
    figure-protocol-4 (4)
    ここで、tは反応時間、Sは作用電極の幾何学的面積です。
  5. 以下のように、HCOOHのエネルギー消費量を算出します：
    figure-protocol-5 (5)
    ここで、Uは印加セル電圧、MはHCOOHの相対分子量です。

結果

CO2RR用OD-Bi触媒およびGOR用Co3O4触媒は、それぞれプロトコルのセクション1および2に従って作製します。OD-Bi触媒の作製が成功したかは、金属Biのピークのみを示すクリーンなXRDパターンと、顕著な凝集のない均一なナノシート形態によって確認されます（図1）。作製後の触媒は、酸化から保護する必要があります。作製したCo3O4は、均一なナノロッドを持つスピネル構造を有している必要があります（図2）。不純物相やナノロッドの凝集が見られる場合は、沈殿または焼成条件を再検討する必要があります。HCOOH定量のための1H-NMR測定の代表的な結果を図3に示します。電気化学的結果から、各電極がそれぞれの半反応において高いFEHCOOHと活性を示すことが実証されました。CO2RR-GORペア電解中における、異なるセル電圧でのリニアスイープボルタンメトリー（LSV）曲線、FEHCOOH、HCOOHの生成速度およびエネルギー消費量を図4に示します。これにより、GORをCO2RRと結合させることで立ち上がり電圧が低下し、セル電圧の上昇に伴い高いFEHCOOHと生成速度が達成されることがわかりますが、それに伴いエネルギー消費量も増加します。異常に高い電圧や不安定な電流は、膜の劣化、電解質のクロスオーバー、またはCO2供給不足を示唆しています。

figure-results-1
図1. OD-Bi触媒の特性評価。 (A) BiOCl前駆体および (B) OD-Bi NSsのXRDパターン。 (C) OD-Bi NSsのTEM像。OD-Biは、(012)面が支配的なBiOCl前駆体の電気化学的還元によって得られ、ナノシート状の形態が維持されている。XRD = X線回折、TEM = 透過電子顕微鏡、OD-Bi NSs = 酸化物由来ビスマスナノシート。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

figure-results-2
図2. Co3O4触媒の特性評価 (A) XRDパターン、(B–C) SEM画像、および(D–E) Co3O4触媒のEDSマッピング。Co3O4触媒は主に(311)、(220)、および(111)の結晶面を示し、ナノロッド形態を有していた。XRD = X線回折、SEM = 走査電子顕微鏡、EDS = エネルギー分散型X線分光法。こちらをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

figure-results-3
図3. 酸性条件下でのCO2還元におけるOD-Bi触媒の独立した電気化学的性能2RR and Co3O4 3電極系におけるアルカリ性GOR用触媒。 (A) 1CO還元後のカソライトのH-NMRスペクトル2–1.75 VでのRR 対RHE. (B) 生成物の遠端電位および (C) jHCOOH CO吸着後、異なる電位におけるOD-Bi触媒の2RR. (D) 11.75 VでのGOR後のアノライトのH-NMRスペクトル 対可逆水素電極 (RHE)E) FEHCOOH および（F) jHCOOH Coの3O4 GOR後の異なる電位における触媒。データは平均値として提示されている。 ± 標準偏差 (n = 3)、エラーバーは標準偏差（SD）を表す。 1H-NMR = プロトン核磁気共鳴、FE = ファラデー効率 jHCOOH = HCOOHの分電流密度；RHE = 可逆水素電極；CO₂RR = 二酸化炭素還元反応、GOR = グリセロール酸化反応 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

figure-results-4
図4. 2電極系におけるCO2RR-GOR対電解の電気化学的性能。(A) 走査速度 50 mV s–1における、0.1 M グリセロールおよび 1 mM CuSO4の有無による OD-Bi || Co3O4 の LSV 曲線。(B) カソードでの CO2RR およびアノードでの GOR における、異なるセル電圧での FEHCOOH。(C) 異なるセル電圧におけるギ酸の総生成速度、および(D) 総エネルギー消費量。データは平均値 ± SD (n = 3) で示され、エラーバーは標準偏差 (SD) を表す。LSV = リニアスイープボルタンメトリー、FE = HCOOH のファラデー効率、CO₂RR = 二酸化炭素還元反応、GOR = グリセロール酸化反応、OER = 酸素発生反応。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

図1–4 に示した代表的な結果は、デュアルギ酸電解合成のための提案されたCO2RR-GORペア電解プロトコルが正常に実施されたことを実証しています。最初の重要なステップは、OD-Bi触媒の調製です。化学沈殿法により合成された前駆体は、結晶性BiOClに対応する特徴的な回折ピークを示しました（図1A）。電気化学的還元後、これらのピークは消失し、金属Biのピークに置き換わったため（図1B）、BiOClがOD-Biへと完全に再構成されたことが示されました。一方、TEM像（図1C）では、電気還元後もOD-Biのナノシート形態が良好に保持されていることが確認されました。再構成された金属Bi表面は、選択的なCO2からギ酸への変換のための豊富な活性部位を提供するため、これらの構造的特性は不可欠です。効率的なグリセロール酸化を実現するためには、アノード触媒であるCo3O4 の調製も同様に重要です。XRDパターンでは、回折ピークがスピネル構造のCo3O4に割り当てられたため（図2A）、触媒の合成が成功したことが確認されました。SEM像（図2B,C）からはさらに均一なナノロッド形態が明らかになり、EDSマッピング（図2D,E）により、触媒全体に元素が均一に分布していることが示されました。XRDパターンに追加の不純物ピークが現れたり、ナノロッドの激しい凝集が観察されたりした場合は、沈殿または焼成条件を慎重に検討する必要があります。

次に、カソードおよびアノード触媒の独立した電気化学的性能評価を行った。OD-Bi触媒を用いたカソードCO2RRにおけるHCOOH濃度を検出するために、1H-NMRおよび内部標準法を用いた(Figure 3A)。さらに、メタナイザーを備えたTCDおよびFIDにより、COやH2を含む少量の副生成物が確認された。OD-Bi触媒は、-1.65 Vから-2.05 V vs. RHEの広い電位範囲において、水素発生能が低く、90%を超える高いFEHCOOHを示した(Figure 3B)。最大jHCOOHは、-2.05 V vs. RHEで-631 mA cm–2に達した(Figure 3C)。また、Co3O4触媒を用いたアノードGORにおけるHCOOH濃度の定量にも1H-NMRを採用したところ(Figure 3D)、他の副生成物は観察されず、HCOOHが主生成物であることが示された。Cu2+はグリセロール中間体によってCu+に還元され、吸着したCu+がCo3O4上のOHの脱プロトン化を促進し、OER活性を持つCoOOHへの再構成を防ぐ17。この可逆的なCu2+/Cu+還元サイクルは、競合する酸素発生反応を効果的に抑制し、それによってギ酸のFEを向上させる17。FEHCOOH は1.75 V vs. RHEで最大値の93%に達し、ピークjHCOOHは2.05 V vs. RHEで251 mA cm–2であった(Figure 3E および 3F)。電位依存的なFEおよびjHCOOHは、両触媒が調査した電位窓内で高い活性を示すことを証明している。

COの操作2RR-GOR対電解システムは、本プロトコルにおいて最も重要な部分である。LSV曲線により、OERをGORに置き換えることで、オンセット電圧が1.68 Vから1.18 Vへと大幅に低下し、より高い電流密度が得られることが示された（図4A）、ペア電解戦略のエネルギー上の優位性が示された。11結合システムにより、漸増的なFEを達成した。 また、セル電圧の上昇に伴い、HCOOHの高い生成率が認められた（図4B および 4C）。逆に、HCOOHのエネルギー消費量は、セル電圧範囲の拡大に伴い増加した（図 4D）、これは副反応に起因するものと考えられる。したがって、ファラデー効率（FE）、生産速度、およびエネルギー消費の妥協点を見出すために、適切なセル電圧を評価する必要がある。これらの結果は、酸・アルカリ非対称電解質構成が、グリセロール酸化の熱力学的利点と、酸・塩基中和エネルギーによって提供される追加の駆動力を効果的に組み合わせていることを実証している。31ペア電解中に、異常に高いセル電圧または低いHCOOH選択性（すなわち、安定性の不足）が観察された場合、考えられる原因としては、膜の劣化、電解質のクロスオーバー、不十分なCO2 供給、またはどちらかの電極触媒の劣化です。主な制限事項は、時間の経過とともに膜を介して酸塩基中和が起こることであり、そのため定期的な電解質の交換が必要となります。

要約すると、酸・アルカリ非対称フローセルにおいて酸性CO2RRとアルカリ性GORを組み合わせることで、ギ酸のペア電解合成のための再現性が高くエネルギー効率の良い戦略が提供されました。選択的なCO₂からギ酸への変換のためのOD-Bi NSsと、GORのためのCu2+補助Co3O4触媒を統合することにより、このペア電解システムは、従来のCO2RR-OER構成と比較して、高いギ酸生産性と電力消費の低減を同時に達成しています。本プロトコルでは、触媒合成の精密な制御、均一な電極作製、電解質調製、および正確な生成物定量に関する詳細かつ標準的な手法を提供します。さらに、代表的な構造特性評価と提示された電気化学的性能は、触媒の品質評価や実験的偏差のトラブルシューティングのための実用的なリファレンスとなります。記載された特定の触媒の組み合わせにとどまらず、モジュール式フローセル設計と酸・アルカリ非対称電解質戦略は、他のCO2RR触媒や陽極酸化反応にも拡張可能な汎用性の高いプラットフォームを提供し、持続可能な炭素利用に向けたスケールアップ可能なペア電解技術への道を切り拓きます。したがって、本プロトコルは、持続可能な炭素利用およびエネルギー効率の高い電気化学的製造に向けた、スケールアップ可能なペア電解技術を開発するための汎用的なプラットフォームを提供します。

開示事項

著者は、競合する金銭的利益がないことを宣言します。本原稿の作成および図の作成において、人工知能ツールは使用されていません。

謝辞

本研究は、中国国家自然科学基金（No. 22409031, 22509185）および浙江省自然科学基金（No. LQN26B030010）の助成を受けたものです。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
Ag/AgCl参照電極GaossUnionR1038
アルゴンガスMinxing Special Gas申し訳ございませんが、翻訳対象となるソーステキストが提供されておりません。翻訳をご希望の英文テキストを入力してください。99.99%
Bi(NO₃)₃3)3·5時間2O国药化学试剂 (Sinopharm Chemical Reagent)80018318
Co(NO₃)₂3)2·6時間2O国药集团化学试剂 (Sinopharm Chemical Reagent)10007316
二酸化炭素ガスMinxing Special Gasmx01099.99%
CuSO4·5H2O国药集团化学试剂10008218
D2OアラジンD113906≥99原子% D
D-520分散液Alfa Aesar11265338触媒インク調製におけるアイオノマーとして使用
脱イオン水ワハハGB 17323
ジメチルスルホキシドアラジンD274279特級
電気化学ワークステーションケスターCS310H
エタノール国药集团化学试剂10009218
FAB-PK-130メンブレンFumatech130アニオン交換膜として使用される
ガスクロマトグラフィーRuimin InstrumentGC2060
グリセロールマックリンG810575
H2 ガスMinxing Special Gasmx01899.99%
H2SO4国药集团化学试剂10021628995.0<画像の説明="式6" （ソーステキストが提供されていないため、翻訳することができません。翻訳対象のテキストを入力してください。）"/files/ftp_upload/73822/73822eq6.jpg" スタイル="margin: auto;"/>98.0%
HCl国药集团化学试剂10011018636.0<画像代替テキスト="式6" 翻訳対象のテキストが提供されていません。翻訳するソーステキストを入力してください。"/files/ftp_upload/73822/73822eq6.jpg" スタイル="margin: auto;"/>38.0%
K2SO4Sinopharm Chemical Reagent10017918
塩化カリウム国药集团化学试剂 (Sinopharm Chemical Reagent)10016318
水酸化カリウム国药集团化学试剂10017008
Nafion 117 メンブレン燃料電池ストア117プロトン交換膜として使用される
pHメーターSANXIN APERA InstrumentsSX-620使用前の2点校正
白金メッシュGaossUnionPt1030-1
SGL Carbon燃料電池ストア紀元前28年1 cm × 3 cm
シュウ酸ナトリウムBide PharmatechBD151560
標準ガスマオツルンダガスカスタマイズされたH2: 1000 ppm; CO: 1001 ppm; C2H4: 1007 ppm; CH4: 1000 ppm; CO2: 1001 ppm; Arでバランス調整
真空デシケーター UAVIUBS-24DZ-A

参考文献

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