二酸化炭素の電気分解

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(CO2)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(CH4)、エチレン(C2H4)およびエタノール(C2H5OH)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）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。 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、常圧で電気分解して一酸化炭素を取り出すものである。 CO 2 + 2 H + + 2 e − ⟶ CO + H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2 + 2H+ + 2e- -> CO + H2O}}} 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ことが挙げられる。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。 CO 2 + H 2 O + 2 e − ⟶ CO + 2 OH − {\displaystyle {\ce {CO2 + H2O + 2e- -> CO + 2OH-}}} 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。 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。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。 CO 2 + 2 H + + 2 e − ⟶ HCOOH {\displaystyle {\ce {CO2 + 2H+ + 2e- -> HCOOH}}} 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。 CO 2 + 8 H + + 8 e − ⟶ CH 4 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2 + 8H+ + 8e- -> CH4 + 2H2O}}} 、 CO 2 + 12 H + + 12 e − ⟶ C 2 H 4 + 4 H 2 O {\displaystyle {\ce {CO2 + 12H+ + 12e- -> C2H4 + 4H2O}}} 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。 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。 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） 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。 ホウ素(B)を添加したダイヤモンド 金属硫化物 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。 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/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。 ^ a b c d 堀(1992). ^ “CO2を“化学品”に変える脱炭素化技術「人工光合成」”. 経済産業省 資源エネルギー庁 (2018年7月5日). 2022年7月2日閲覧。 ^ a b c d e “再生可能エネルギーを用いた電解による CO2 の資源化” (PDF). 東芝グループ. 2022年7月2日閲覧。 ^ a b c 白土竜一『二酸化炭素の電気化学的固定化に関する研究』 九州工業大学〈博士 （工学） 乙第43〉、1996年、6-7頁。doi:10.11501/3113015。 NAID 500000133892。https://hdl.handle.net/10228/1922。  ^ a b c d 冨﨑真 2021. ^ “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-”. 国立大学法人 名古屋工業大学 (2019年7月22日). 2022年7月2日閲覧。 ^ “My Blog”. park.itc.u-tokyo.ac.jp. 2022年6月20日閲覧。 ^ 正裕, 古谷「二酸化炭素の電気還元触媒の開発」『日本機械学会論文集Ｂ編』第79巻第799号、2013年、286-290頁、doi:10.1299/kikaib.79.286。  ^ 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 ^ Yamaguchi, Akira and Arai, Katsuki and Aisnada, An Niza El and Lee, Ji-Eun and Kitadai, Norio and Nakamura, Ryuhei and Miyauchi, Masahiro (2022). “Multi-Regression Analysis of CO2 Electroreduction Activities on Metal Sulfides”. The Journal of Physical Chemistry C (ACS Publications) 126 (5): 2772-2779. doi:10.1021/acs.jpcc.1c08993. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c08993.  ^ “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”. www.challenge-zero.jp. 2024年2月5日閲覧。 ^ “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～”. 大阪ガス. 2022年6月20日閲覧。 善夫, 堀「二酸化炭素の電解還元による再資源化技術」『繊維学会誌』第48巻第1号、1992年、P38-P42、doi:10.2115/fiber.48.P38。  冨﨑真衣『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)』 慶應義塾大学〈博士(理学) 甲第5638号〉、2021年。https://koara.lib.keio.ac.jp/xoonips/modules/xoonips/detail.php?koara_id=KO50002002-20215638-0003。  , NAID 500001475864 LaConti AB, Molter TM, Zagaja JA (May 1986). Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide.. オリジナルの27 March 2012時点におけるアーカイブ。. https://web.archive.org/web/20120327064123/http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA169630  Fujita E (January 2000). Carbon Dioxide (Reduction). Upton, NY (United States): Brookhaven National Lab. (BNL). http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=20E4E93014C17486C2D213998D1D56FC?purl=/752152-JsQXqJ/native/  Neelameggham NR. “Carbon Dioxide Reduction Technologies: A Synopsis of the Symposium at TMS 2008”. The Minerals, Metals & Materials Society (TMS). 2022年7月2日閲覧。 二酸化炭素貯留 直接炭素型燃料電池