Observation of proton transfer on photocatalyst surface on a short time scale
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22K05297
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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 | Shinshu University |
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Principal Investigator |
錦織 広昌 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00332677)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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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 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | 光触媒表面 / プロトン移動 / 水素生成 / 有機色素プローブ / 時間分解蛍光分光法 / 有機色素 / 過渡分光法 |
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| Outline of Research at the Start |
光触媒を用いて水を分解することにより水素生成が可能であるが、実用上、反応効率・持続性に問題が残る。この解決法として、生成反応の最終段階を決定づける光触媒表面の過程をモニターしつつ制御する技術が有効であるが、確立されていない。本研究では、プロトン移動を円滑にするため光触媒表面をホスホン基で修飾し、水素生成反応の重要な過程である光触媒表面でのプロトン移動過程を、有機色素をプローブ分子として用いた高感度かつ高時間分解能の蛍光分光法により観測し、そのダイナミクスを明らかにする。これにより光触媒表面の水素生成能の評価方法を創成する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
光触媒反応において水素生成効率向上のためには、プロトンの授受を促進する官能基で触媒表面を修飾し、表面上のプロトンの移動過程を的確に把握しつつ、制御することが不可欠である。さらに、反応全体の理解とその制御のためには、光触媒内部での初期過程とそれに続く光触媒表面での分子の過渡的な反応過程、定常状態での水素生成過程を関連付けて議論することが重要である。
以上にあたっての本年度の実施内容は以下のとおりである。
1. 光触媒試料作製・水からの水素生成反応の解析
緩衝能によりプロトンの伝達を促進する役割のある官能基としてホスホン基を有するシランカップリング剤を用いて、光触媒表面を修飾することで表面上の活性部位へのプロトンの供給過程を促進し、水素生成反応効率を向上させることに成功した。この機構については、反応生成物の定性・定量および電気化学的解析により明らかにした。ホスホン基は周囲の酸性度の変化を抑制するとともに、プロトンの移動媒体として機能することがわかった。
2. 水からの水素生成反応におけるプロトンの移動過程の過渡分光測定（時間分解蛍光分光法）
光触媒表面での分子反応の理解のために、水からの水素生成反応におけるプロトンの供給過程について、酸性度の変化に敏感な蛍光性有機色素であるフルオレセインをプローブ分子として用いた時間分解蛍光分光法による解析を行い、プロトン還元反応が10ピコ秒程度の時間スケールで進行していることが示唆される結果を得た。この方法により光触媒表面での水素生成反応をin situで観測できる可能性を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
光触媒試料作製および水からの水素生成反応の解析については、計画通り進められたが、整備予定の分光装置の納入が大幅に（半年程度）遅れ、時間分解蛍光分光測定によるデータの取得と解析が計画に対して十分に行えていない状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き時間分解蛍光分光法の観測を早急に進め、遅れを取り戻す予定である。
ホスホン基とフルオレセインとの間のプロトン授受のダイナミクス、およびプロトンの移動経路を明らかにする。予想通りの結果が得られない場合は、プローブ分子の種類（pKa、励起寿命）や吸着量を変えて対応する。分子の光励起による様々な過程から、プロトン移動（酸塩基平衡の変化）かつ蛍光過程に関する情報を抽出する。光吸収過程と時間分解蛍光分光法の測定結果（蛍光減衰挙動）を対応付けし、プロトン移動ダイナミクスと関連付ける。プローブ分子の時間分解蛍光特性については、様々なイオン種が存在し複雑であるが、研究代表者らの過去の業績および他の報告が多数あるため、これらを参考に解析を進める。
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
