Improvement of Z-scheme photocatalysis based on control of electron transfer utilizing electrochemical techniques
| Project/Area Number |
21K05240
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 36020:Energy-related chemistry
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| Research Institution | The University of Tokyo (2022)
Tohoku University (2021) |
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Principal Investigator |
熊谷 啓 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特任准教授 (80761311)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 半導体光触媒 / 人工光合成 / 電気化学 / 電子伝達 / Zスキーム / 光触媒 / 半導体 |
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| Outline of Research at the Start |
可視光を用いた2光子励起（Zスキーム）型光触媒反応について，光触媒間の光励起電子の伝達過程に着目した反応系とその解析手法の開発を行う。光触媒とそれをつなぐ電子伝達剤の電位関係を詳細に設計し，触媒活性に及ぼす影響について系統的な知見を確立する。加えて，実反応に近い条件下での電気化学手法による電子伝達過程の解析・制御手法の開発を行う。これらを通じて高い活性と機能を発現する光触媒系の実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題「電気化学を活用した電子伝達制御に基づくZスキーム型光触媒系の機能向上」では、半導体光触媒を用いた可視光照射下における2光子励起（Zスキーム）によるエネルギー蓄積型の反応において、活性・機能向上のボトルネックと想定される光触媒間の光励起電子の伝達過程にフォーカスし、熱力学的な制御による系統的な知見を得るとともに、電気化学手法による速度論的な解析制御手法の開発と評価を行っている。
今年度は、水中で駆動するZスキーム型反応の電子伝達過程を電気化学手法を用いて観測するため、回転リングディスク電極を応用した拡散制御型の新規観測手法の開発を行った。水分解反応を駆動する代表的な可視光応答の半導体光触媒と電子伝達剤を用い、拡散制御環境下における光触媒反応の進行を電流として観測し、反応速度の直接的な評価を試みた。
光触媒粒子を電極上に固定した状態で、可逆な電子伝達剤としてコバルトトリスビピリジンタイプの錯体を用いて、拡散を電極回転数によって制御しながら光触媒反応評価を行った。リング電極部において、光触媒反応の進行に伴う水素の生成と電子伝達剤の消費に由来すると考えられる電流値変化が観測されたことから、反応の進行を検出できることを確認した。光の強度などの反応条件を変化することで電流値が変化することも確認できた。したがって、本手法によって拡散制御環境下における反応速度を電流として定量的に評価しうることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では、電位関係を制御した光触媒反応系と，光電気化学を用いた解析手法それぞれを開発し，光触媒と電子伝達剤間での光電子伝達過程を系統的に理解することによる高効率・高機能な光触媒系の実現を目的としている。
本年度においては、回転リングディスク電極を応用した拡散制御型の観測手法を開発し、電子移動プロセスの速度を定量的に評価するための知見を得た。これを用いて光触媒と電子伝達剤を組み合わせた際の反応進行を観測した。したがって，研究課題で目的としている系統的な制御と解析のための一定の進捗を得たと考え，おおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度においては、ここまでに得られた電子伝達剤と光触媒の知見をもとに、電子伝達剤、半導体光触媒と反応系の条件の幅を広げつつ系統だった知見を集積する。これに並行して、本年度に開発した電気化学手法と組みわせることで、熱力学的・速度論的な知見双方を集積し、活性との関係性の知見を深める。特に、可逆な電子伝達剤が求める逆方向の反応を行って失活する反応経路の速度を、順方向と別個に求めて評価する。
これらを通して，電子伝達をより詳細に制御した高活性・高機能なZスキーム型光触媒系の設計指針の確立とその実現を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(14 results)
