二酸化炭素の電気分解のソースを表示

'''二酸化炭素の電気分解'''（にさんかたんそのでんきぶんかい）は、電気を使用して[[二酸化炭素]]({{chem|CO|2}})をより還元された化学種と[[酸素]]に分解する方法の一つである。これにより二酸化炭素の資源化、再利用が可能になる。他には[[サバティエ反応]]のように二酸化炭素と還元剤を反応させる方法が知られている。

なお、二酸化炭素に[[電流]]を流して別の物質が生じる反応は電流を流すことによる電気分解[[還元|還元反応]]も含まれることになるが、ここではそれもまとめて[[電気分解]]として述べる。

二酸化炭素の電気分解によって、[[ギ酸]](HCOOH)、[[一酸化炭素]](CO)、[[メタン]]({{chem|CH|4}})、[[エチレン]]({{chem|C|2|H|4}})および[[エタノール]]({{chem|C|2|H|5|OH}})を作り出せる。メタノール、プロパノール、1-ブタノールも少量生成される。

この方法は現在の所低いエネルギー効率（40%程度）{{Sfn|堀(1992)}}に実用化を阻まれており、効率を改善するための電極触媒の開発が進められている。

== 種類 ==

=== 人工光合成技術を利用した電気分解 ===
[[人工光合成]]の技術を利用し、二酸化炭素と、水を[[光触媒]]と[[分離膜]]により分解して生じる[[水素]]との混合物を[[常温]]、[[標準状態#標準圧力|常圧]]で電気分解して一酸化炭素を取り出すものである<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johoteikyo/jinkoukougousei.html |title={{chem|CO|2}}を“化学品”に変える脱炭素化技術「人工光合成」 |access-date=2022-7-2 |publisher=経済産業省 資源エネルギー庁 |date=2018-7-5}}</ref><ref name=":0">{{Cite web|和書|url=https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/jp/technology/corporate/review/2021/03/a07.pdf |title=再生可能エネルギーを用いた電解による {{chem|CO|2}} の資源化 |access-date=2022-7-2 |publisher=東芝グループ |format=PDF}}</ref>。

:<chem>CO2 + 2H+ + 2e- -> CO + H2O</chem><ref name=":1">{{Cite thesis|和書|author=白土竜一 |title=二酸化炭素の電気化学的固定化に関する研究 |volume=九州工業大学 |series=博士 （工学） 乙第43 |year=1996 |doi=10.11501/3113015 |naid=500000133892 |CRID=1110001310189364608 |url=https://hdl.handle.net/10228/1922 |pages=6-7}}</ref>

この問題点としては、水に溶かしたわずかな量の二酸化炭素しか分解できない点が挙げられる<ref name=":0" />。この問題を解決するため、固体[[高分子]]型の電解セルを用いることにより、二酸化炭素と水から一酸化炭素と[[水酸化物イオン]]を取り出す方法が考えられた<ref name=":0" />。

:<chem>CO2 + H2O + 2e- -> CO + 2OH-</chem><ref name=":0" />

この反応では、従来より多量の一酸化炭素が生じ、一酸化炭素生成のファラデー効率は93[[パーセント]]となる<ref name=":0" />。

=== 二酸化炭素水溶液の電気分解 ===
二酸化炭素水溶液（[[炭酸水]]、これだけでは電流を通しにくいため[[炭酸水素カリウム]]なども溶かす）に[[白金]]などの水素[[過電圧]]の小さい物質を[[電極]]に用いると、先に水素が発生してしまい、二酸化炭素をうまく還元できない{{Sfn|堀(1992)}}。そこで、[[インジウム]](In)、[[鉛]](Pb)、水銀(Hg)、スズ(Sn)等を電極に用いると、主に[[ギ酸]]が発生する{{Sfn|堀(1992)}}{{Sfn|冨﨑真|2021}}。

:<chem>CO2 + 2H+ + 2e- -> HCOOH</chem><ref name=":1" />

=== 銅を電極に用いた電気分解 ===
[[銅]](Cu)を電極に用いて二酸化炭素水溶液を電気分解する際、[[電位]]が-1.15[[ボルト (単位)|ボルト]]より負になると[[メタン]]、[[エチレン]]等の炭化水素が発生する{{Sfn|堀(1992)}}{{Sfn|冨﨑真|2021}}。

:<chem>CO2 + 8H+ + 8e- -> CH4 + 2H2O</chem>、

:<chem>CO2 + 12H+ + 12e- -> C2H4 + 4H2O</chem><ref name=":1" />

この時、電極表面が単体の銅だった場合メタンのような[[炭素|炭素原子]]を1つしか持たない炭化水素（C1化合物）が生じるが、[[水酸化銅(II)]]だった場合、エチレンや[[エタノール]]のような炭素原子を複数持つ炭化水素（C2化合物）も生じるようになる<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.nitech.ac.jp/news/press/2019/7621.html |title=銅電極による二酸化炭素の資源化 -C2化合物の生成における水酸基の重要性を解明- |access-date=2022-7-2 |publisher=国立大学法人 名古屋工業大学 |date=2019-7-22}}</ref>。

== 電極触媒 ==
上述の通り、二酸化炭素を電気分解して生成される物質はさまざまで、それらの種類は電極触媒によって変わる<ref>{{Cite web |title=My Blog |url=https://park.itc.u-tokyo.ac.jp/gsi-lab/gsi-lab/ACTIVITY/entori/2015/1/23_entori_1.html |website=park.itc.u-tokyo.ac.jp |access-date=2022-06-20}}</ref>。

# 一酸化炭素を生成するもの（[[金]](Au)、[[銀]](Ag)、[[亜鉛]](Zn)など）
# 水素のみが発生するもの。二酸化炭素をうまく電気分解できない。（[[鉄]](Fe)、[[チタン]](Ti)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)など{{Sfn|冨﨑真|2021}}）
# ギ酸を生成するもの (インジウム、鉛、[[スズ]]、[[カドミウム]])
# メタン、エチレン等の炭化水素を生成するもの（銅）(Cu)
特に有望なのが銅を使った炭化水素の製造である。カーボンドープや[[酸化銅(I)]]の組成比を高めることで選択性と効率を高めることができると報告されている<ref>{{Cite journal|和書|last=正裕|first=古谷|date=2013|title=二酸化炭素の電気還元触媒の開発|url=https://doi.org/10.1299/kikaib.79.286|journal=日本機械学会論文集Ｂ編|volume=79|issue=799|pages=286-290|doi=10.1299/kikaib.79.286}}</ref>。
# ホウ素(B)を添加した[[ダイヤモンド]]{{Sfn|冨﨑真|2021}}
# 金属硫化物<ref>[https://www.titech.ac.jp/news/2022/063028 金属硫化物を用いた二酸化炭素還元電極触媒の設計指針を提示] 東京工業大学 2022.02.03</ref><ref>{{Cite journal|title=Multi-Regression Analysis of CO2 Electroreduction Activities on Metal Sulfides |author=Yamaguchi, Akira and Arai, Katsuki and Aisnada, An Niza El and Lee, Ji-Eun and Kitadai, Norio and Nakamura, Ryuhei and Miyauchi, Masahiro |journal=The Journal of Physical Chemistry C |volume=126 |issue=5 |pages=2772-2779 |year=2022 |publisher=ACS Publications |doi=10.1021/acs.jpcc.1c08993 |url=https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c08993}}</ref>

== 課題 ==

# 過電圧が大きい - 電極触媒の改良が必要。
# 電流効率、選択性が低い - 経済性を向上させるためにはより価値の高いC2化合物を選択的に合成できる必要が有る<ref>{{Cite web|和書|title=CO2電解還元法によるC2化合物製造技術の研究開発 {{!}} チャレンジ・ゼロ |url=https://www.challenge-zero.jp/jp/casestudy/706 |website=www.challenge-zero.jp | accessdate=2024-02-05 |language=ja}}</ref>。
# 反応速度が遅い - 二酸化炭素の溶解度が十分でないため。解決法としてガス拡散電極、高圧下での使用が挙げられる。

電極触媒の反応機構は不明な点が多く、研究改良が望まれる。

== SOECメタネーション ==
[[固体酸化物形電解セル|SOEC]]に二酸化炭素と水を同時に供給、電気分解で一酸化炭素ガスと水素を同時に発生させる。十分に高温であれば電解電圧/[[自由エネルギー|ギブス自由エネルギー]]は低下し、この反応は吸熱反応になる。熱エネルギーにはサバティエ反応による発熱を利用する。

これにより80 - 90%の効率でメタンを合成できる可能性もあるとされる<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.osakagas.co.jp/company/press/pr2022/1305922_49634.html |title=SOECメタネーションに関するグリーンイノベーション基金事業の採択について～世界最高効率の合成メタン製造技術の開発に挑戦～ |access-date=2022.06.20 |publisher=大阪ガス}}</ref>。

== 脚注 ==
{{Reflist}}

==参考文献==
* {{Cite journal|和書|last=善夫|first=堀|date=1992|title=二酸化炭素の電解還元による再資源化技術|url=https://doi.org/10.2115/fiber.48.P38|journal=繊維学会誌|volume=48|issue=1|pages=P38-P42|doi=10.2115/fiber.48.P38 |ref={{harvid|堀(1992)}}}}
* {{Cite thesis|和書|author=冨﨑真衣 |title=ダイヤモンド電極による二酸化炭素の電解還元 : 選択的および効率的有価物生成に向けて (本文) |volume=慶應義塾大学 |series=博士(理学) 甲第5638号 |year=2021 |CRID=1110854721204343680 |url=https://koara.lib.keio.ac.jp/xoonips/modules/xoonips/detail.php?koara_id=KO50002002-20215638-0003 |ref=harv}} , {{naid|500001475864}}

== 参考サイト ==
* {{cite book | author = LaConti AB, Molter TM, Zagaja JA | date = May 1986 | title = Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide. | url = http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA169630 | archive-url = https://web.archive.org/web/20120327064123/http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA169630 | archive-date = 27 March 2012 | url-status = dead | work = Online: Information for the Defense Industry }}
* {{cite book | author = Fujita E | url = http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=20E4E93014C17486C2D213998D1D56FC?purl=/752152-JsQXqJ/native/ | title = Carbon Dioxide (Reduction) | date = January 2000 | publisher = Brookhaven National Lab. (BNL) | location = Upton, NY (United States) }}
* {{cite web |author=Neelameggham NR |url=http://www.tms.org/pubs/journals/jom/0802/neelameggham-0802.html |title=Carbon Dioxide Reduction Technologies: A Synopsis of the Symposium at TMS 2008 |work=The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) |access-date=2022-7-2}}

== 関連項目 ==
* [[二酸化炭素貯留]]
* [[ダイレクトカーボン型燃料電池|直接炭素型燃料電池]]
{{電気分解}}
{{DEFAULTSORT:にさんかたんそのてんきふんかい}}
[[Category:二酸化炭素|てんきふんかい]]
[[Category:電気分解]]