Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

過酸化水素 / 酸素 / 水素 / 燃料電池 / 中性電解質 / ガス拡散電極 / 電極触媒 / 炭酸ナトリウム / ガス拡散電

水素/酸素燃料電池反応を利用した過酸化水素の一段合成法による中性過酸化水素の合成を実現することを目標にしている。本反応法はカソード,アノード,2枚のガス拡散電極を隔膜としても機能させ,この電極間に電解質溶液を満たす特異的な構造を有している。電解質液側と反対の電極面は,酸素ガス(カソード),水素ガス(アノード)に露出しており,高分圧の酸素ガス,水素ガスが高濃度のまま直接反応サイトに供給できることが特徴である。
平成16年度において電解質に1-2規定の炭酸ナトリウム水溶液,VGCF(気相成長カーボンファイバー)ガス拡散電極(カソード),白金/炭素ガス拡散電極(アノード)を用い,それぞれ1気圧の酸素,水素ガスを導入することにより,電極間を短絡するだけで0.05wt%過酸化水素が確かに合成できることを実証した。
平成17年度は、平成16年度に得られた成果を元に、炭酸ナトリウム電解質を用いた時に高活性を示すカソードの開発を行いった。中性電解質を用いて効率よく過酸化水素が生成するためには、酸素が還元されるVGCFカソード中の三相界面反応場の局部的な酸性あるいは塩基性が影響を及ぼすのではないかと考え、VGCFを酸性または塩基性の酸化物を添加した電極を作製した。具体的には、塩基性酸化物:MgO, BaO, ZrO_2,Sm_2O_3、酸性酸化物:Al_2O_3,SiO_2,TiO_2,Cab-O-Silを検討した。これらの酸化物の中では、酸性酸化物が過酸化水素生活性を促進する作用があることが分かった。なかでもCab-O-Silが有効であり、過酸化水素濃度はCab-O-SilのVGCFへの添加により、0.05wt%から0.16wt%に増加することを見出した。

過酸化水素 / 燃料電池 / 電極触媒 / ガス拡散電極 / マンガンポルフィリン / 三相界面 / 水素 / 酸素 / カーボン電極

水素/酸素燃料電池反応を利用した隔膜反応法による過酸化水素の一段合成法を開発するために,本反応法を支配する様々な因子を解明し,理論立て,最終的に高活性化することを目標している。本反応法はカソード,アノード,2枚のガス拡散電極を隔膜としても機能させ,この電極間に電解質溶液を満たす特異的な構造を有している。電解質液側と反対の電極面は,酸素ガス(カソード),水素ガス(アノード)に露出しており,高分圧の酸素ガス,水素ガスが高濃度のまま直接反応サイトに供給できることが特徴である。16年度までに電解質に2モル/リットルの水酸化ナトリウム水溶液,炭素ガス拡散電極(VGCF+XC-72)を用い,最大10重量%の過酸化水素水溶液を選択的に合成出来た。17年度は硫酸酸性電解質溶液(0.5モル/リットル)を用いた場合,マンガンポルフィリン誘導体/活性炭-電極触媒が過酸化水素生成活性を有することを見出した。
18年度は,金属ポルフィリン誘導体/炭素電極の触媒作用について詳細な検討を行い,より高活性,高選択性のカソード触媒の開発を行った.マンガン・テトラフェニルポルフィリンを活性炭上に含浸担持し,不活性ガス中300から600℃で熱処理活性化すると,過酸化水素生成活性を発現した.各種マンガンポルフィリン触媒の中では450℃で活性化したマンガン・オクタエチルポルフィリン/活性炭が最も有効であり,電流効率45%で3.5重量%の過酸化水素硫酸水溶液の合成に成功した.この過酸化水素溶液は,炭化水素の酸化剤として充分に機能する.熱処理活性化マンガン・ポルフィリン/活性炭の酸素分子還元機構について,CV, RRDE, FT-IR及びXAFSを用いて詳細に検討した結果,(1)不活性ガス中での熱処理活性化により,ポルフィリン骨格の一部(フェニル基,又はエチル基)が脱離,また軸配位子の塩素イオンが脱離し,ポルフィリン環は炭素表面と強く相互作用している,(2)マンガンは2価として作用している,(3)酸素分子への2電子移動反応により過酸化水素が生成している,ことが明らかとなった.