【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.16】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT0127

利用課題名 / Title

CO₂利活用を目的とした電極触媒開発

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

電極材料/ Electrode material,ナノ多孔体/ Nanoporuous material,電子顕微鏡/ Electronic microscope,電子分光/ Electron spectroscopy

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

嶺岸 耕

所属名 / Affiliation

東京大学先端科学技術研究センター

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

杉山　正和,関　良朝,宮村 純司

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

中林　麻美子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-002：軽元素対応型超高分解能走査透過型電子顕微鏡（Cs-STEM）
UT-004：環境対応型超高分解能走査透過型電子顕微鏡
UT-308：多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)with AES
UT-006：ハイスループット電子顕微鏡
UT-102：高分解能走査型分析電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

地球規模での環境への影響が危惧されていることから，カーボンニュートラル社会の構築が世界的な課題となっている．このような状況下，CO₂から有用物質を得る手法として電解還元が注目されている．多くの電極触媒ではCOおよびHCOOHが得られるが，Cuを電極触媒として用いるとメタンやエチレン，エタノール等が得られる事が知られている．我々はこれまで，ZnあるいはAlを添加したCu₂Oを電極触媒に用いることでエチレンが比較的高いファラデー効率(FE)で得られることを明らかにしてきた．今回，Al添加Cu種多孔質電極触媒を担持したガス拡散電極(GDE)に対して疎水性ポリマーであるPTFEを添加することで耐久性およびエチレン選択率が向上する事を見出した．

実験 / Experimental

Cu種多孔質電極触媒はカーボンブラックが塗布されたカーボンペーパーを基材に用い， GDEとして評価した．DCマグネトロンスパッタ法によって，まずは触媒層の脱落抑止を目的としてCu層を形成し，さらに前駆体であるAl-Cu合金層を形成，それらを塩酸でエッチングを施こし，Alを除去することでCu種多孔質電極触媒を得た．PTFEを触媒層に添加する際には，Cu層形成後に静電スプレー法によってPTFE微粒子層を形成したのちにCu-Al合金層を形成した上でエッチングを施した．CO₂電解還元は電解液に1 MのKHCO₃水溶液(pH 8-9)を用い，ポテンショスタット(北斗電工，HZ-7000)に試料，可逆水素電極(RHE)，対極としてPtメッシュ電極を接続した3電極系で計測を行った．気相生成物はマイクロGC(ジーエルサイエンス, Agilent 990マイクロGC)を用いたオンライン分析で，液相生成物は反応終了後の反応液を採取してFID-GC(アジレント, 8890GCシステム)により定量した．構造解析にはハイスループット電子顕微鏡(JEM-2800)，高分解能走査型分析電子顕微鏡(JSM-7800F Prime)，環境対応型超高分解能走査透過型電子顕微鏡(JEM-ARM200FCold FE)，集束イオン／電子ビーム 複合ビーム加工観察装置（JIB-4600F）を用いた．また，酸化状態解析には多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)を用いた．

結果と考察 / Results and Discussion

Fig.1 にPTFE添加多孔質Cu種電極の断面SEMおよびEDSマッピング測定の結果を示す．基材と下地層のCuと多孔質Cu層の間にPTFE由来のFが検出されている．このことから，多孔質なPTFE層を内包する形で多孔質Cu種電極が形成されていることが確認できる．GDEによるCO₂電解還元においては反応サイトへCO₂が効率的に行われる必要があり，この多孔質PTFE層は反応物であるCO₂および生成物であるエチレンへのパスを提供することが期待できる．反応試験の結果，PTFE添加により24時間経過時点でのエチレンへの電流効率が3.5%から54.7%へと大幅に向上することが確認された．これは前述のCO₂およびエチレンへの効率的供給・除去経路の構築に加え，長時間の反応においても電解液の触媒層への過度の侵入が抑止されたためであると考えられる．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

PTFE添加多孔質Cu種電極の断面SEM像およびEDSマッピング測定結果

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Yoshitomo Seki, Porous Copper‐PTFE Hybrid Electrocatalyst for CO₂ Reduction with High C₂₊ Selectivity, ChemElectroChem, 12, (2024).
   DOI: 10.1002/celc.202400536
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 宮村 純司，Veiga Lionel Sebastian，関 良朝，浅見 明太，嶺岸 耕，杉山 正和，"粒子転写法を用いて作製したBiVO4光電極におけるコンタクト層金属の影響"電気化学会第９２回大会(東京)，令和７年３月１８日
2. 関 良朝，明畠 未樹，仲谷 友孝，小金澤 智之，杉山 正和，嶺岸 耕， "Nafion修飾CuO電極のCO2電解中その場X線回折による構造評価"電気化学会第９２回大会(東京)，令和７年３月１８日
3. 熊谷 啓，嶺岸 耕，江部 広治，杉山 正和， "CO2電解還元に向けた錯体様Cu(I)触媒の開発と評価"電気化学会第９２回大会(東京)，令和７年３月１８日
4. L. S. Veiga, M. Sugiyama, and T. Minegishi "Enhanced Charge Separation and Hydrogen Evolution from Water over ZnTe-CdTe Solid Solution Based Photocathode with a Composition Gradient" PRiME 2024 (Honolulu, U. S. A.) 2024年10月６日
5. Y. Seki, H. Kumagai, M. Sugiyama, and T. Minegishi"Electrochemical CO2 Red１０uction Using Porous Cu Electrodes with Polymer Addition" PRiME 2024 (Honolulu, U. S. A.) 2024年10月10日
6. Tsutomu Minegishi “Electrocatalytic reduction of carbon dioxide” 2024 KIChE Spring Meeting (Jeju), 2024年4月25日
7. Tsutomu Minegishi “(Photo)electrochemical devices for carbon neutrality” Materials Challenges in Alternative and Renewable Energy 2024 (Jeju), 2024年8月20日

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件