Modification of photocatalysts with ionic liquid polymers for improving the water splitting activity
| Project/Area Number |
22KF0157
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| Project/Area Number (Other) |
21F41038 (2021-2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022) |
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| Section | 外国 |
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| Review Section |
Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
堂免 一成 信州大学, 先鋭領域融合研究群先鋭材料研究所, 特別特任教授 (10155624)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
CHEN KAIHONG 信州大学, 先鋭領域融合研究群先鋭材料研究所, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2022: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
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| Keywords | 光触媒 / 酸窒化物 / 水分解反応 / 水素生成 / 可視光 / 助触媒 / 表面処理 / 後処理 / 表面修飾 |
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| Outline of Research at the Start |
再生可能エネルギーを利用した大規模水素製造技術として，粉末光触媒による太陽光水分解反応が研究されている．現状，水を水素と酸素に分解する可視光応答型光触媒の量子効率は低く，この理由として光触媒材料の欠陥密度が高く再結合が起こりやすいことや、多電子移動過程を含む吸エルゴン反応であるために逆反応が起こりやすいことが想定されている。本研究では，これらの問題を解決するために，酸窒化物光触媒微粒子合成における出発原料や各種表面修飾・後処理を検討し，高選択的かつ安定に水を分解可能な光触媒の開発に取り組んだ．
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| Outline of Annual Research Achievements |
再生可能エネルギーを利用した大規模水素製造技術として、粉末光触媒による太陽光水分解反応が研究されている。水分解用光触媒の量子効率を向上させるには、光触媒材料の欠陥密度の低減と表面における逆反応の抑制が必要である。本研究では、可視光応答型非酸化物光触媒に対して表面修飾・後処理を施し、高選択的かつ安定に水を分解可能な可視光応答型光触媒の開発に取り組んでいる。
2021年度の研究結果を踏まえ、2022年度はSrTaO2Nの合成条件の抜本的な見直しを継続した。その結果、出発原料から炭酸塩を排し、Ta2O5とSrCl2の混合物をアンモニア気流下で加熱窒化することで、水の完全分解反応に活性なSrTaO2Nを合成できることを見出した。さらに、酸素源として作用するNaOHを添加することで、不純物であるTa3N5の含有量が減り、水分解活性が向上することがわかった。試料を分析したところ、SrTaO2NとTa3N5不純物からなることがわかったが、それぞれの成分は概ね化学量論的組成を有していることが確認された。
続いて助触媒の担持法を検討した。従来、酸素生成助触媒として作用するIrO2コロイドは専ら吸着法で担持されていたが、これをマイクロ波加熱法で担持することにより水分解活性が2倍以上向上することがわかった。助触媒担持量及び順序を最適化したところ、IrO2をマイクロ波加熱法で、Ruを含浸・水素還元法で、Cr2O3を光電着法で逐次的に担持した場合に可視光水分解活性は最大となることがわかった。
一連の研究成果は学術論文として発表した。
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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
当初計画していたイオン液体高分子と酸窒化物光触媒の複合化による光触媒活性の向上は実現しなかったが、可視光水分解反応に活性なSrTaO2N粉末光触媒の調製法を確立し、論文発表した。出発原料や助触媒担持法、生成物の後処理に関する知見を発展させることで光触媒活性のさらなる改善が見込まれるため、研究が順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
SrTaO2N合成における出発原料の継続的な検討により、従来よりも粒径が小さなSrTaO2Nの合成が可能になっている。さらに、助触媒の担持や加熱等の後処理により、光触媒活性が大きく変化することがわかっている。そこで、残りの研究期間では、SrTaO2N光触媒の助触媒担持条件や後処理を中心に光触媒活性を最適化する。最適化された光触媒及び助触媒の構造や物性と反応特性の相関を詳細に分析することで可視光水分解の高効率化に重要な要因を解明し、今後の可視光水分解用光触媒の開発に役立つ知見を整理する。
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Report
(2 results)
Research Products
(1 results)
