二氧化碳还原催化剂用添加剂、催化剂层、阴极、离子交换膜-电极接合体和固体电解质型电解装置的制作方法

本发明的技术涉及二氧化碳还原催化剂用添加剂、催化剂层、阴极、离子交换膜-电极接合体和固体电解质型电解装置。

背景技术：

1、二氧化碳在从化石燃料等提取出能量时被排放。可以说大气中的二氧化碳浓度的上升是全球气候变暖的原因之一。由于二氧化碳是极其稳定的物质，因此目前几乎没有利用的途径。然而，也有全球气候变暖正在越来越严重这样的时代要求，需求一种用于将二氧化碳转化为其他物质而再次资源化的新的技术。例如，人们正在进行可直接还原气相二氧化碳的二氧化碳还原型装置的开发。

2、例如，在专利文献1中，公开了为了获得通过控制润湿性而显示出高的部分电流密度、且可承受长时间运转的二氧化碳还原电极用催化剂层，而在催化剂层中含有担载于碳材料上的金属催化剂、离子传导性物质、和亲水性聚合物，使通过吸附氮而求出的bet比表面积(an2)与通过吸附水蒸气而求出的bet比表面积(ah20)之比(ah2o/an2)为0.08以下。

3、在专利文献2中，公开了在碳化合物的还原反应中，为了使抑制基于副反应的氢的生成比例、和提高基于碳化合物的还原反应的还原产物的生成比例之中的至少任一者成为可能，而在碳化合物的还原反应所使用的还原反应用电极中具备利用疏水性高分子修饰过的电极体。

4、在专利文献3中，公开了一种方法，其通过使具有疏水性和/或亲水性的分子接枝于碳上，从而能够解决技术问题。

5、进而，在非专利文献1中，公开了一种方法，其通过在二氧化碳还原电极用催化剂层中添加聚四氟乙烯(ptfe)微粒，从而控制电极的润湿性，防止功能下降。

6、现有技术文献

7、专利文献

8、专利文献1：日本特开2021-147677号公报

9、专利文献2：日本特开2021-21095号公报

10、专利文献3：日本特开2021-2528号公报

11、非专利文献

12、非专利文献1：z.xing，l hu，d.s.ripatti，x.hu，x.feng，naturecommunications,2021，12，136.

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、在具有进行二氧化碳还原反应的催化剂层、和离子交换膜的电解装置中，若电解液透过离子交换膜而渗出至催化剂层，则使催化剂层的功能下降。

3、在专利文献1、2和非专利文献1中，虽然通过在催化剂层中添加疏水性高分子来尝试催化剂层的疏水化，但是疏水性高分子为绝缘性，增加了催化剂层的电阻。另外，在专利文献3中，虽然在气体扩散层或者气体扩散层与催化剂层的中间层担载疏水性化合物来提高疏水性，但是尚未实现催化剂层本身的疏水性的提高，疏水化的效果有限。

4、本发明是鉴于上述情况而作出的发明，本发明的技术课题的目的在于提供能够抑制功能下降的催化剂层、以及电极催化剂层的导电性和二氧化碳电解还原反应的电解效率优异的二氧化碳还原催化剂用添加剂、电极、离子交换膜-电极接合体和固体电解质型电解装置。

5、用于解决问题的方案

6、<1>二氧化碳还原催化剂用添加剂，其具有载体，所述载体包含碳且在表面具有芳基。

7、<2>二氧化碳还原催化剂用添加剂，其具有包含碳的载体，且25℃、水蒸气压2.2kpa下的水蒸气吸附量相对于相同温度、水蒸气压3.1kpa下的水蒸气吸附量的比小于0.5。

8、<3>根据<1>所述的二氧化碳还原催化剂用添加剂，其中所述芳基包含选自苯基和具有2～6个苯环的稠环基中的1种以上。

9、<4>根据<3>所述的二氧化碳还原催化剂用添加剂，其中所述具有2～6个苯环的稠环基包含选自萘基、蒽基、菲基和芘基中的1种以上。

10、<5>根据<1>、<3>和<4>中任一项所述的二氧化碳还原催化剂用添加剂，其中所述芳基具有选自烷基、氟代烷基、苯基、氟代苯基和氟原子中的1种以上的取代基。

11、<6>根据<1>和<3>至<5>中任一项所述的二氧化碳还原催化剂用添加剂，其中所述芳基为(1)～(8)所示的基团中的任意一种以上；

12、[化学式1]

13、

14、在(1)～(8)中，*表示与所述载体的表面的键合部。

15、<7>催化剂层，其包含：添加剂，该添加剂具有载体，所述载体包含碳且在表面具有芳基，和

16、催化剂，该催化剂包含载体，所述载体包含碳且担载有无机微粒或金属配位化合物。

17、<8>催化剂层，其包含：

18、添加剂，该添加剂具有包含碳的载体，且25℃、水蒸气压2.2kpa下的水蒸气吸附量相对于相同温度、水蒸气压3.1kpa下的水蒸气吸附量的比小于0.5，和

19、催化剂，该催化剂包含载体，所述载体包含碳且担载有无机微粒或金属配位化合物。

20、<9>根据<7>或<8>所述的催化剂层，其中所述无机微粒为选自金、银、铜、镍、铁、钴、锌、铬、钯、锡、锰、铝、铟、铋、钼和氮化碳中的微粒；所述金属配位化合物为配位基与选自铜、镍、铁、钴、锌、锰、钼和铝中的金属或该金属的离子配位而得的金属配位化合物。

21、<10>根据<7>所述的催化剂层，其中所述芳基包含选自苯基和具有2～6个苯环的稠环基中的1种以上。

22、<11>根据＜10>所述的催化剂层，其中所述具有2～6个苯环的稠环基包含选自萘基、蒽基、菲基和芘基中的1种以上。

23、<12>根据<7>所述的催化剂层，其中所述芳基具有选自烷基、氟代烷基、苯基、氟代苯基和氟原子中的1种以上的取代基。

24、<13>根据<7>所述的催化剂层，其中所述芳基为(1)～(8)所示的基团中的任意一种以上，

25、[化学式2]

26、

27、在(1)～(7)中，*表示与所述载体的表面的键合部。

28、<14>阴极，其具有：根据<9>所述的催化剂层、和气体扩散层。

29、<15>离子交换膜-电极接合体，其具有：根据<14>所述的阴极、固体电解质、和阳极。

30、<16>根据＜15>所述的离子交换膜-电极接合体，其中所述固体电解质为阴离子交换膜。

31、<17>固体电解质型电解装置，其具有：根据＜14>所述的阴极、与所述阴极构成一对电极的阳极、

32、以接触状态介于所述阴极与所述阳极之间的固体电解质、和

33、在所述阴极与所述阳极之间施加电压的电压施加部。

34、<18>根据<17>所述的固体电解质型电解装置，其中所述固体电解质为阴离子交换膜。

35、发明的效果

36、根据本发明的技术，可提供能够抑制功能下降的催化剂层、以及电极催化剂层的导电性和二氧化碳电解还原反应的电解效率优异的二氧化碳还原催化剂用添加剂、阴极、离子交换膜-电极接合体和固体电解质型电解装置。

37、附图的简单说明

38、图1是本实施方式中适合使用的离子交换膜-电极接合体的示意图。

39、图2是本实施方式中适合使用的固体电解质型电解装置的示意图。

40、图3是表示实施例和比较例的相对水蒸气吸附量的曲线图。