[論文レビュー] Efficient Electrocatalytic Reduction of CO2 by Nitrogen-Doped Nanoporous Carbon-Carbon Nanotube Membranes - A Step Towards the Electrochemical CO2 Refinery

Hong Wang, Jia Jia+12 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2019

CO2 Reduction Techniques and Catalysts被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、CO2還元の効率的な電触媒として、低コストでスケーラブルなバインダー不使用の窒素ドーピングされたナノポーラス炭素-カーボンナノチューブ複合膜（HNCM-CNT）を提示する。膜はフォーマートの生成に対して81%のファラデー効率を達成し、優れた長期安定性を示しており、産業スケールの電気化学的CO2変換における強い可能性を示している。

ABSTRACT

The search for earth abundant, efficient and stable electrocatalysts that can enable the chemical reduction of CO2 to value-added chemicals and fuels at an industrially relevant scale, is a high priority for the development of a global network of renewable energy conversion and storage systems that can meaningfully impact greenhouse gas induced climate change. Here we introduce a straightforward, low cost, scalable and technologically relevant method to manufacture an all-carbon, electroactive, nitrogen-doped nanoporous carbon-carbon nanotube composite membrane, dubbed "HNCM-CNT". The membrane is demonstrated to function as a binder-free, high-performance electrode for the electrocatalytic reduction of CO2 to formate. The Faradaic efficiency for the production of formate is 81%. Furthermore, the robust structural and electrochemical properties of the membrane endow it with excellent long-term stability.

研究の動機と目的

• 産業的条件下で効率的なCO2還元を実現するための、地球に豊富に存在する、安定的でスケーラブルな電触媒の開発。
• 貴金属ベースの触媒の限界を克服するため、低コストでバインダー不使用の炭素ベースの電極システムの構築。
• 窒素ドーピングとナノポーラス構造を用いて、フォーマート生成のための触媒活性および選択性を向上。
• CO2電気精製への実用的応用を実現するための長期的電気化学的安定性の達成。
• 炭素ベースの電触媒の産業的展開に適したスケーラブルな製造プロセスの実証。

提案手法

• スケーラブルで低コストかつ環境に優しい方法により、窒素ドーピングされたナノポーラス炭素-カーボンナノチューブ複合膜（HNCM-CNT）の合成。
• 化学気相成長と制御された焼却を用いて、高い窒素ドーピング度を有する階層的ポーラス構造を形成。
• バインダー不使用の電極構造を採用し、イオン移動抵抗を低減するとともに、電子移動を向上。
• ガス拡散電極を備えたHセル構成の標準的三電極セルを用いた電気化学的試験。
• 活性度、選択性、安定性の評価のため、線形掃引ボルタメトリーおよびクロノアンパクリメトリーの適用。
• フォーマートおよびCO2生成物の定量のため、コロメトリック分析およびガスクロマトグラフィーを用いたファラデー効率の測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バインダー不使用で全炭素構造を有する、窒素ドーピングされたナノポーラス炭素-CNT複合材料は、CO2からフォーマートへの変換において高いファラデー効率を達成できるか？
• RQ2 階層的ポーラス構造と窒素ドーピングは、電触媒における物質移動と活性サイトの露出を向上させるか？
• RQ3 HNCM-CNT膜の長期的安定性は、従来の炭素ベースの触媒または貴金属触媒と比較してどのように異なるか？
• RQ4 合成法は、触媒の性能を維持したまま、産業的応用にスケーリング可能か？
• RQ5 窒素官能基は、CO2をフォーマートに選択的に還元するプロセスを促進する役割を果たすか？

主な発見

• HNCM-CNT膜は、フォーマート生成に対して81%のファラデー効率を達成しており、CO2電気還元における高い選択性を示している。
• 膜は優れた長期的安定性を示し、著しい劣化を伴わず、長時間にわたる運転でも性能を維持している。
• バインダー不使用の構造により、効率的な電子移動が確保され、イオン拡散抵抗が最小限に抑えられている。
• ナノポーラス構造により、CO2が活性部位へと効果的に物質移動され、反応速度論が向上している。
• 窒素ドーピングにより、フォーマートへの2e−還元経路を好む触媒的活性部位が導入されている。
• 合成法はスケーラブルでコスト効率が良く、将来的な産業的展開に向けた可能性を秘めている。