ナノシートを用いた可視光利用可能な逆反応抑制型光触媒系の開発

• Project/Area Number: 16J10084
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Catalyst/Resource chemical process
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 大島 崇義 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥100,000 (Direct Cost: ¥100,000); Fiscal Year 2017: ¥100,000 (Direct Cost: ¥100,000); Fiscal Year 2016: ¥100,000 (Direct Cost: ¥100,000)
• Keywords: 光触媒 / 人工光合成 / ナノシート / 色素増感 / 層状ペロブスカイト / 酸窒化物 / 可視光 / 層状化合物 / 水素発生

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではナノシートを用い、(1)層空間と触媒表面で酸化・還元反応サイトが分離した逆反応抑制型光触媒系の構築、(2)可視光を利用した水分解反応の達成を目的とした。本年度の研究では、HCa2Nb3O10ナノシート再積層体の層空間に還元サイトとして働くPtナノ粒子を担持した触媒に対し、酸化サイト、および可視光吸収部位として機能するRu色素を吸着させ、その光触媒特性を調べた。ヨウ素アニオンを電子供与剤として用い光触媒反応を行ったところ、可視光照射に伴い断続的な水素の発生が観測された。これは酸化・還元サイトの空間的な分離により逆反応が抑制されたためであると考えられる。また、HCa2Nb3O10ナノシート再積層体の表面を酸化アルミニウムで修飾することで光触媒活性が大幅に向上することを見出し、適切な酸素発生光触媒と組み合わせた2段階励起型水分解系を構築することで、可視光を利用した水の完全分解を達成した。
さらに昨年度合成に成功した新規の層状ペロブスカイト酸窒化物であるK2LaTa2O6Nの光触媒特性に関して検討を行った。層状ペロブスカイト酸窒化物は可視光応答型ナノシートの前駆体として有望であると考えられるが、合成例が少ないことに加え、水溶液中での安定性に問題があり、その光触媒活性はほとんど検討されてこなかった。触媒調製や光触媒反応の条件を詳細に検討した結果、K2LaTa2O6Nが水溶液中においても安定な水素発生光触媒として機能することを見出した。またその光触媒活性は、従来の酸窒化物光触媒と比較しても10倍以上高く、K2LaTa2O6Nが優れた可視光応答型の光触媒として機能することが明らかとなった。最終的に、K2LaTa2O6Nを適切な酸素生成光触媒と組み合わせた2段階励起型光触媒系を構築することで、可視光照射下で水の完全分解反応を達成した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Photocatalytic overall water splitting on Pt nanocluster-intercalated, restacked KCa2Nb3O10 nanosheets: the promotional effect of co-existing ions (2019)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Yunan Wang, Daling Lu, Toshiyuki Yokoi, Kazuhiko Maeda
  • Journal Title: Nanoscale Advances Volume: 1 Issue: 1 Pages: 189-194
  • DOI: 10.1039/c8na00240a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Undoped Layered Perovskite Oxynitride Li2LaTa2O6N for Photocatalytic CO2 Reduction with Visible Light (2018)
  • Author(s): Oshima, T.、 Ichibha, T、Qin K, S、Muraoka, K.、Vequizo, J. J. M.、Hibino, K.、Kuriki, R.、Yamashita, S.、Hongo, K.、Uchiyama, T.、Fujii, K.、Lu, D.、Maezono, R.、Yamakata, A.、Kato, H.、Kimoto, K.、Yashima, M.、Uchimoto, Y.、Kakihana, M.、Ishitani, O.、Kageyama, H.、Maeda, K.
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 57 Issue: 27 Pages: 8154-8158
  • DOI: 10.1002/anie.201803931
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal Structure, Electron Density and Characterization of Visible-Light Responsive Photocatalysts, (BaTaO2N)1-x(SrWO2N)x Solid Solutions (2017)
  • Author(s): Keisuke Hibino, Masatomo Yashima, Takayoshi Oshima, Kotaro Fujii, Kazuhiko Maeda
  • Journal Title: Dalton Trans. Volume: 46 Issue: 43 Pages: 14947-14956
  • DOI: 10.1039/c7dt02873c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inert Layered Silicate Improves the Electrochemical Responses of a Metal Complex Polymer (2017)
  • Author(s): Miharu Eguchi, Masako Momotake, Fumie Inoue, Takayoshi Oshima, Kazuhiko Maeda, Masayoshi Higuchi
  • Journal Title: ACS Appl. Mater. Interfaces Volume: 9 Issue: 40 Pages: 35498-35503
  • DOI: 10.1021/acsami.7b13311
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis, structure and photocatalytic activity of layered LaOInS2 (2017)
  • Author(s): Akira Miura, Takayoshi Oshima, Kazuhiro Maeda, Yoshikazu Mizuguchi, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa, Yu Meng, Xiaodong Wen, Masanori Nagao, Mikio Higuchi, Kiyoharu Tadanaga
  • Journal Title: J. Mater. Chem. A Volume: 5 Issue: 27 Pages: 14270-14277
  • DOI: 10.1039/c7ta04440b
  • NAID: 120006498164
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Synthesis and photocatalytic activity of K2CaNaNb3O10, a new Ruddlesden-Popper phase layered perovskite (2017)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Toshiyuki Yokoi, Miharu Eguchi, Kazuhiko Maeda
  • Journal Title: Dalton Trans. Volume: 印刷中 Issue: 32 Pages: 10594-10601
  • DOI: 10.1039/c6dt04872b
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Pt-Intercalated KCa2Nb3O10 Nanosheet Aggregates and Their Photocatalytic Activity for Overall Water Splitting (2016)
  • Author(s): Oshima Takayoshi, Lu Daling, Maeda Kazuhiko
  • Journal Title: ChemNanoMat Volume: 2 Issue: 7 Pages: 748-755
  • DOI: 10.1002/cnma.201600072
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Synthesis of layered perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N and the application for photocatalytic CO2 reduction under visible light irradiation (2018)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: 2018 International Symposium on Advancement and Prospect of Catalysis Science & Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of 2D perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N and the photocatalytic performance for CO2 reduction (2018)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規層状ペロブスカイト酸窒化物K2LaTa2O6Nの合成と光触媒特性 (2018)
  • Author(s): 大島 崇義、前田 和彦
  • Organizer: 第37回 固体・表面光化学討論会
• [Presentation] Ta 系層状ぺロブスカイト酸窒化物の合成と可視光照射下での光触媒作用 (2018)
  • Author(s): 大島 崇義、日比野 圭佑、藤井 孝太郎、八島 正知、前田 和彦
  • Organizer: 第123回触媒討論会
• [Presentation] Synthesis and photocatalytic activity of a layered perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N (2018)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会
• [Presentation] KCa2Nb3O10ナノシートを用いたPtナノクラスター担持とその光触媒特性 (2017)
  • Author(s): 大島 崇義、前田 和彦
  • Organizer: 第119回触媒討論会
  • Place of Presentation: 首都大学東京 南大沢キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-21
• [Presentation] Synthesis of layered oxynitride Li2LaTa2O6N and its photocatalytic activity (2017)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Osamu Ishitani, Kakuhiko Maeda
  • Organizer: ISEPD2017
  • Place of Presentation: Okinawa Jichikaikan, Okinawa, Japan
  • Year and Date: 2017-02-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photocatalytic performance of Li2LaTa2O6N layered oxynitride (2017)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: 16th Korea-Japan Symposium on Catalysis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthesis of layered oxynitride Li2LaTa2O6N and the photocatalytic performance for H2 evolution and CO2 reduction (2017)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: 9th International Symposium on Nitrides and Related Materials & 5th International Symposium on SiAlONs and Non-oxides
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状ペロブスカイト構造を有する 新規酸窒化物の合成とその光触媒特性 (2017)
  • Author(s): 大島 崇義, 前田 和彦
  • Organizer: 第120回 触媒討論会
• [Presentation] Light induced H2 evolution on metal oxide nanosheet (2017)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: International Conference on Functional Nanomaterials and Nanodevices
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンタル系層状酸窒化物の合成とその光触媒特性 (2016)
  • Author(s): 大島 崇義、前田 和彦
  • Organizer: 第118回触媒討論会
  • Place of Presentation: 岩手大学 理工学部
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] Deposition of small noble metal particles on KCa2Nb3O10 restacked nanosheet and the photocatalytic activity (2016)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: SPIE. OPTICS + PHOTONICS
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, California, USA
  • Year and Date: 2016-08-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Water splitting reaction using restacked KCa2Nb3O10 nanosheets modified with Pt nanoclusters (2016)
  • Author(s): Takayoshi Oshima, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • Organizer: ICC2016
  • Place of Presentation: China National Convention Center, Beijing, China
  • Year and Date: 2016-07-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 層状ペロブスカイト構造を有するタンタル系酸窒化物の合成とその光触媒特性 (2016)
  • Author(s): 大島 崇義、石谷 治、前田 和彦
  • Organizer: 第35回光がかかわる触媒化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学蔵前会館