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Function-integrated resin semiconductor photocatalysts for hydrogen peroxide generation from water and air

Research Project

Project/Area Number 23K23135
Project/Area Number (Other) 22H01867 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

白石 康浩  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (70343259)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 平井 隆之  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (80208800)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Keywords光触媒 / 過酸化水素 / 人工光合成 / 樹脂 / 半導体
Outline of Research at the Start

太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換する新技術として、水の酸化とO2の二電子還元により、エネルギーキャリアとして有望視される過酸化水素(H2O2)を製造する人工光合成反応に挑戦する。申請者の開発したレゾルシノール-ホルムアルデヒド(RF)光触媒樹脂の改良により、H2O2の高効率製造に取り組む。(1) 生成したH2O2の分解を抑制する機能の付与、(2) 樹脂粒子の微小化による高比表面積粒子への改良、(3) 酸化助触媒の導入による水の酸化活性の向上、 (4) 還元助触媒の導入によるO2の二電子還元選択性の向上、を非金属を用いて達成する新技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

レゾルシノール-ホルムアルデヒド(RF)光触媒樹脂の改良により、水とO2からの高効率H2O2製造に取り組む。非金属を用いる溶液プロセシングにより、(1) H2O2分解抑制機能の付与、(2) 樹脂の微粒子化(高比表面積化)、(3) 酸化助触媒の導入による水の酸化活性の向上、ならびに (4) 還元助触媒の導入によるO2の二電子還元選択性の向上、を柱とした触媒改良を進める。これらのRF光触媒樹脂への機能集積を通して、H2O2を安定的に、かつ高効率で合成するメタルフリー粉末光触媒の設計指針を導き出す。
2023年度は、汎用の親疎水性樹脂であるアンバーライトをRF光触媒樹脂に複合した。事前に粉砕・微細化したアンバーライト樹脂を含む水に、レゾルシノール、ホルムアルデヒドを加え、高温水熱合成することにより複合樹脂を合成した。複合樹脂は、アンバーライトを結晶核として成長するため、比表面積の大きな微粒子が生成する。そのため、複合していない場合の1.5倍の活性が発現することを見出した。光触媒活性はアンバーライトの複合量に依存する。過剰量の複合はより小さな樹脂粒子を生成させるが、絶縁体であるアンバーライトを多量に含むため導電性を低下させてしまう。そのため、適切な量のアンバーライトの複合が重要であることを明らかにした。さらに、in-situ赤外分光法によりRF光触媒樹脂上で進行する水の酸化、ならびにO2還元メカニズムの追跡を行った。水の酸化においては、骨格への-OH基の結合、-OHどうしのカップリングによるパーオキシド生成、O2の脱離を経て進行すること、O2還元においては、メチン基へのO2吸着と還元を経て進行することを確認し、提案どおりのメカニズムが進行することが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

合成したアンバーライト複合RF半導体樹脂が高い光触媒活性を示すことを見出した。さらに、高活性発現の要因を種々の分光分析により明らかにした。研究内容は投稿論文としてほぼまとまっている。当初の予定通りに研究を進めることができており、それゆえ区分(2)に該当すると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

アンバーライト複合RF光触媒樹脂の成果を速やかに投稿論文としてまとめる。RF上での光触媒メカニズムを分光分析により明らかにし、これについても投稿論文としてまとめる。また、新たに開発を進めている、疎水化RF光触媒樹脂の開発について、有機/水の二相反応系へ本光触媒を添加し、触媒を有機相に保持したまま、純粋なH2O2水溶液を連続的に回収する新たなプロセスの開発を行う。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Nafion-Integrated Resorcinol-Formaldehyde Resin Photocatalysts for Solar Hydrogen-Peroxide Production2023

    • Author(s)
      Yasuhiro Shiraishi, Masahiro Jio, Koki Yoshida, Yoshihiro Nishiyama, Satoshi Ichikawa, Shunsuke Tanaka, and Takayuki Hirai
    • Journal Title

      JACS Au

      Volume: 3 Issue: 8 Pages: 2237-2246

    • DOI

      10.1021/jacsau.3c00262

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Photocaytalytic Hydrogen Peroxide Generation on a Resorcinol-Formaldehyde Semiconducting Resin in Aerated Urea Solutions2023

    • Author(s)
      Yasuhiro Shiraishi, Masahiro Jio, Takayuki Hirai
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 52 Issue: 4 Pages: 267-269

    • DOI

      10.1246/cl.230044

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solar-Driven Generation of Hydrogen Peroxide on Phenol-Resorcinol-Formaldehyde Resin Photocatalysts2022

    • Author(s)
      Yasuhiro Shiraishi, Kanako Miura, Masahiro Jio, Shunsuke Tanaka, Satoshi Ichikawa, Takayuki Hirai
    • Journal Title

      ACS Materials Au

      Volume: 2 Issue: 6 Pages: 709-718

    • DOI

      10.1021/acsmaterialsau.2c00041

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Nafion/レゾルシノール-ホルムアルデヒド複合光触媒の調製と過酸化水素合成2024

    • Author(s)
      吉田光希、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      第133回触媒討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] イオン交換樹脂複合レゾルシノール半導体樹脂による光触媒型過酸化水素生成2024

    • Author(s)
      西山佳宏、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Nafion複合レゾルシノール-ホルムアルデヒド樹脂光触媒による過酸化水素生成2023

    • Author(s)
      吉田光希、地黄将大、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      第132回触媒討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 過酸化水素生成におけるレゾルシノール-ホルムアルデヒド樹脂光触媒へのNafion複合効果2023

    • Author(s)
      吉田光希、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      2023年光化学討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 過酸化水素合成に向けた光触媒の開拓と機能制御2022

    • Author(s)
      白石康浩
    • Organizer
      第130回触媒討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] レゾルシノール樹脂光触媒を用いた尿素存在下における過酸化水素生成2022

    • Author(s)
      地黄将弘、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      2022年光化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] オキシ水酸化鉄を光触媒とする硝酸からアンモニアへの還元反応2022

    • Author(s)
      秋山翔太郎、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      2022年光化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 表面酸素欠陥を有する二酸化チタン光触媒による酸化型空中窒素固定2022

    • Author(s)
      レイヴィン希々、白石康浩、平井隆之
    • Organizer
      2022年光化学討論会
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      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 14.備考 大阪大学大学院基礎工学研究科附属太陽エネルギー化学研究センター・平井研究室

    • URL

      http://www.cheng.es.osaka-u.ac.jp/hirailab/home.html

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      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 大阪大学大学院基礎工学研究科附属太陽エネルギー化学研究センター・平井研究室

    • URL

      http://www.cheng.es.osaka-u.ac.jp/hirailab/home.html

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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