摘 要：随着全球变暖意识的增强，人们正在寻求不排放温室气体的技术，以构建脱碳社会。东芝致力于开发一种Power to Chemicals(P2C)技术，该技术通过使用可再生能源，以电化学的方式将二氧化碳(CO2)转化为有价值的产品，从而削减CO2。但是，到目前为止，在实际应用方面尚存在CO2转化速度慢、设备成本高和安装占地面积大等问题。因此，本文中开发出了一种直接使CO2气体发生反应的电解池。通过向电极快速供给CO2气体，提高了转化速度；同时采用多孔阴极催化剂层，促进了CO2的供给。与以往使溶存CO2发生反应的电解池相比，其转化速度提高了约450倍，因此有望构建出能够大量削减CO2的实用系统。
关键字：CO2电解池、Power to Chemicals(P2C)技术、固体高分子型CO2电解池、多孔阴极催化剂层、金（Au）催化剂、脱碳化
1、引言
从人们对SDGs(Sustainable Development Goals)和ESG(Environment, Social, Governance)投资的高度关注可以看出，抑制全球变暖对气候和生态环境的影响已成为全球性的重要课题，各国都提出了温室气体减排目标。日本的目标是到2050年减少80%的温室气体排放量，目前正在推进从排放大量CO2的火力发电向利用再生能源发电的转换。但是，即使日本所消耗的电力全部通过可再生能源供应，预计也很难实现2050年的目标。这是因为工业部门(钢铁、化学等)在生产的过程中排放了较多的CO2，约占温室气体排放总量的30%。因此，减少工业部门的CO2排放量是实现这一目标的关键。
在工业部门，要想在不缩小生产规模的情况下实现CO2排放量的大幅削减，就必须防止生成的CO2向大气排放。为此，人们在数十年前就开始研究将生成的CO2回收并储存在地下的CCS (Carbon Dioxide Capture and Storage)技术。如果发展这种CCS技术，将回收的CO2转化为附加值高的产品并加以有效利用，就可以构建经济可持续的CO2减排系统。另外，以CO2作为原料的制造业的发展，可以摆脱对化石资源的依赖，加速以CO2零排放为目标的脱碳化进程。
在这样的背景下，东芝致力于开发以电化学方式转化CO2的P2C技术(1),(2)。如图1所示，东芝的目标是构建P2C系统，将各设施排出的CO2输送到电解池进行还原，将其转化为一氧化碳(CO)和乙二醇等化学原料，然后生产高附加值的化学品。如果能够构建成功，就可以利用可再生能源削减CO2排放量，同时制造化学品。另外，随着可再生能源的扩大利用，可能会导致剩余电力的增加和系统的不稳定性，但如果在P2C系统中使用剩余电力，则可以同时实现CO2的削减和维持系统稳定。
图1. P2C系统的概要
利用可再生能源对排放出的CO2进行电解，将其转换成有价值的化学品。
在此前的技术开发中，研究的对象是将溶解在水溶液中的微量CO2转化为有价值化学品的电解池。具体而言，通过将还原CO2的电极浸没在含有饱和CO2的电解液中并施加电压，把CO2转换为各种有价值化学品。但是，由于水溶液中能够溶解的CO2量非常少，再加上水溶液中CO2的扩散速度很慢，导致向电极供给CO2受阻，转化速度变慢。在转化速度缓慢的情况下，为了转化大量的CO2而增大电解池尺寸，造成设备成本的增加，还会导致系统占地面积大等问题。
为了解决这一问题，研究人员开发出了不需要将CO2溶解在水溶液中，而是直接使CO2气体发生反应的电解池(3),(4)。这种电解池解决了上述CO2供给问题，大大提高了CO2转化速度。另外，通过采用多孔催化剂电极，促进了向催化剂的CO2供给，与以往使溶存CO2发生反应的电解池相比，转化速度提高了约450倍。本文将结合分析和实验结果，对新开发出的电解池的结构及多孔电极进行介绍。
2、固体高分子型CO2电解池的开发
以生成CO为目的的CO2电解池及其基本工作原理如图2所示。该电解池由供给CO2气体的流路、气体扩散层(GDL: Gas Diffusion Layer) 和催化剂层组成的阴极(负极)；固体高分子隔膜；阳极(正极)和供给电解液的电解液流路构成。在供给电解液和CO2气体的同时施加外部电压，阴极侧发生如式（1）所示的CO2还原反应，生成CO和氢氧根离子(OH-)；另一方面，阳极侧发生如式（2）所示的OH—氧化反应，生成氧气（O2）、水（H2O）以及电子（e-）。
