イオン液体を用いた高効率水電解
機能素材加工課 國方伸亮*1 山岸英樹 佐藤智
1. 緒言

を水電解の添加剤として用いて電解効率と電解による材エネルギー安全保障と地球温暖化対策としての位置付料の劣化挙動を研究する。本研究が目指す水素生成の高けから、水素社会の実現に向けた研究開発が国内外で盛効率化は水素価格の低減や水素エネルギーの地産地消をんである。水素は電気や石油などの一次エネルギーを利目的とした基盤研究であり、SDGs への取り組みとして水用することで得られる二次エネルギーであり、コスト面素利活用の推進に取り組む本県にとって非常に重要であで一次エネルギーと比較して不利であるため、より効率ると考える。

的な水素製造のための技術開発が普及の促進に必要である。

本研究は令和元年度下期から令和 2 年度にかけての計画であり、今回は中間報告として材料の合成と評価まで安価かつ大規模な水素製造手法である水電解において、を報告する。

反応温度が上昇することで、電解に必要な電気エネルギーの割合が熱力学的に小さくなることが知られている 1)。

2. 実験方法

また、温度上昇させることで電極反応速度が増加するた水電解の添加剤として用いるイオン液体を合成するこめ電極過電圧の低下も期待される。しかしながら、一般にとを目的として、等モル量の 1-ブチルイミダゾール (1-水電解に使用する電解液は腐食性の高い強アルカリ性でButylimidazole: BIm) とビストリフルオロメタンスルホンあるため、商用電解では 90 C 程度の作動にとどまっていアミド (bis(trifluoromethanesulfonyl)imide: HTFSA) を純水る。そこで、イオン液体を KOH や NaOH などの従来の電中にて 24 時間混合し、90°C で真空乾燥させることで、褐解質の代替として用いることで、100 C 以上でも安定に色の粘稠な液体 BImH-TFSA を得た。また、HTFSA の代動作可能な反応系を開発できるのではないかと考えた。

わりに硫酸 (H2SO4) を用いて、同様の手法で BImH-HSO4

イオン液体は一般に 100 C 以下に融点をもつ有機塩であを得た。得られた試料を所定のモル比で純水と混合させ、り、電気伝導性や比較的高い熱的安定性など様々な特徴水分子との相溶性を確認した。

を有する。カチオンとアニオンのイオン種や組成を工夫

試料の評価として、JASCO 社製 FT/IR-6700 を用い、ダすることで、水電解における活性を高めることができる

イヤモンド ATR を用いて室温にて測定を行った。TG-のではないかと期待される。

DTA は Rigaku 製 TG 8120 を用い、温度範囲は室温-500

また、水素製造コストの低減には再生可能エネルギー

C、スキャンレートは 5 C/min.とした。蓋のない Al 製サの利用が有効と考えられる。本県は日本海側に位置するンプルパンを使用し、大気雰囲気下にて測定を行った。

ため冬季日照時間が少なく、風力発電のポテンシャルも低いが 2)、急流河川や農業用水など水資源は豊富であるた

3. 実験結果および考察

め、再生可能エネルギーとして小水力発電が有望である。

酸塩基反応にて合成されたイミダゾリウム系イオン液

小水力発電は、風力などに比べると少ないものの、自然条体 BImH-TFSA および BImH-HSO4 の化学式と写真を Fig.

件の変化や設備メンテナンスなどに伴う急激な出力変動

1 に示す。HTFSA と H2SO4 はいずれもブレンステッド酸が頻繁に生じると想定され、水電解の電源として用いるとして BIm と相互作用することで、イオン液体のカチオ場合、システムの劣化を促す要因となる。強アルカリ条件

ンとアニオンを構成する。BImH-TFSA を純水に混和させ下でアノード電極に金属 Ni を用いた場合、電解の副生物た結果、水層と油層に分離したことから、疎水性であることしてニッケルの酸化物や水酸化物が生じるため、電解とを確認した。また、同様の操作を BImH-HSO4 に行ったを行うための電力が供給されなくなると、これらが還元ところ、均一相に混和したことから、親水性であることをされることによる逆電流が生じ、電極触媒の脱離を促進確認した。水電解の電解質に用いる場合には水分子と混する。そのため、電力変動のもとでも安定に動作する反応和する必要があることから、水電解の添加剤には BImH-系の構築が必要であり、イオン液体は強アルカリ電解質

HSO4 を用いることとする。のような腐食性を示さない点で有望である。

Fig. 2 に、BImH-HSO4 の FT-IR スペクトルを示した。イ以上のことから本研究では、水素発生効率と耐久性にミダゾリウム環側鎖の C-H 対象伸縮振動 (2965cm-1 およ優れた電極系を開発することを目的として、イオン液体

び 2930 cm-1) や、硫酸水素イオンの S-O および S-OH 伸縮振動 (それぞれ 1222cm-1 および 1023 cm-1) などに帰属*1 現

機械電子研究所
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)33

されるバンドが確認されたことから、イオン液体 BImHHSO4 が合成されたとことを示唆する 3)。
Fig. 3 に、TG-DTA の結果を示した。図より、BImH-HSO4においては 3 段階の重量減少が確認される。室温から約170 C までの数%の重量減少はどちらのイオン液体も同程度であり、液中に含まれる水分によるものと考えられる。2 段階目の 200 C 付近での重量減少は BImH-TFSA には見られないことから、BImH-HSO4 における硫酸水素ア

Fig. 1 Pictures and chemical structures of

ニオンの分解に伴うものと考えられ、SOx ガスが発生し

BImH-TFSA and BImH-HSO4.ていると推定される。また、300 C 付近での 3 段階目の重量減少はカチオンを含むイオン液体全体の熱分解であり、累積でほぼ 100%の重量減となった。この結果から、
BImH-HSO4 は 170 C 以下の温度範囲であれば熱的に安定に使用可能であることが確認された。
4. 結言
水電解の添加剤として用いることを目的として、イオン液体 BImH-HSO4 を合成し、FT-IR にてスペクトルの帰属を行った。BImH-HSO4 が親水性を示し、熱分解温度が約 170 C であることを確認した。その一方、BImH-TFSAは純水と混和せず、疎水性であることを確認した。

Fig. 2 FT-IR spectrum of BImH-HSO4.

今後、研究を継続し、BImH-HSO4 を用いた水溶液系の電解効率や電解による材料の表面状態の変化を確認していく。
参考文献
1)客野貴広 他: 電学論 B, 124 (4) (2004) pp. 605-611.
2)一般社団法人日本風力発電協会資料: 風力発電ポテ

ンシャルマップ
3) L. Zanchet 他: Ionics, 25 (2019) pp.1167-1176.
Fig. 3 TG curves of BIm-TFSA andBImH-HSO4.
キーワード：水電解、水素、イオン液体、小水力発電

Water Splitting of Electrolyte Solution Promoted by Ionic LiquidCore Manufacturing Technology Section; Nobuaki KUNIKATA*1, Hideki YAMAGISHI and Masaru SATO
Preparing reagents and experimental equipment, the ionic liquid BImH-HSO4 was synthesized for the purpose of using it as
an additive material for water splitting. We assigned FT-IR spectra of the BImH-HSO4 and underwent TG-DTA analysis. The
thermal decomposition temperature of BImH-HSO4 was about 170 C. BImH-HSO4 mixed with pure water showing ahomogeneous phase. We continue this research investigating electrolysis efficiency of the aqueous solution system containingBImH-HSO4.

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)