| Project/Area Number |
23K23139
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| Project/Area Number (Other) |
22H01871 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27030:Catalyst and resource chemical process-related
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
山田 裕介 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (30358270)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
天尾 豊 大阪公立大学, 人工光合成研究センター, 教授 (80300961)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | 可視光応答 / 人工光合成 / 水の光分解 / 電子伝達剤 / 層間移動 / 水の酸化触媒 / 水の還元触媒 / 光増感剤 / 水の酸化 / 水の還元 / 水素 / 水分解 / 電子リレー / プロトン還元触媒 |
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| Outline of Research at the Start |
これまでに太陽光エネルギーの大半を占める可視光への応答性に優れた分子性の光増感剤を利用することで、水素発生や水の酸化が可能な光触媒系が数多く開発されてきた。しかし、いずれも犠牲試薬が必要であり両者をつなぐことができていない。本研究では、サイズが揃ったシリカナノ粒子集合体の隣接間隙を利用して酸化触媒と還元触媒の複合化を行うことで、これらの光増感剤を用いる水の酸化触媒系と還元触媒系を”どのようにしてつなげばよいか”を明らかとすることを目的とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和6年度は令和5年度までに見出した電子の受授により溶解度が変化する電子伝達剤を利用した水を電子源とする光触媒水素発生系の構築に取り組んだ。
まず、目標としていたH型セルを用いた水層―有機層―水層の三層反応系での光触媒水素発生系の構築を目指した。水層で光増感剤を利用した水の酸化反応を行い、共存する電子伝達剤の還元を行った。この還元された電子伝達剤が有機層へと移動する様子は紫外可視吸収スペクトルにより観察した。しかしながら、この電子伝達剤は水素発生触媒である白金ナノ粒子を分散させた先ほどとは別の水層へ移動することができないので水素発生が起こらなかった。そこで、電子伝達剤を水に可溶化するために、水素発生を行うための水層にミセル化剤を溶解させたところ、電子伝達剤が水層へと移動することは確認できたが水素発生は起こらなかった。この水素発生が起こらなかった原因として、1.還元された電子伝達剤から水素発生触媒への電子移動のミセル化剤による阻害、または、2.還元された電子伝達剤の濃度上昇が十分でない、が考えられた。そこで、同様の反応系において、水の酸化を行う水層に犠牲的な電子源である次亜硫酸を用いて電子伝達剤の還元を行うことで問題点の抽出を試みた。この反応系では水素発生が確認できたことから、ミセル化剤があっても水素発生は可能であるので電子伝達剤の濃度上昇あるいは水素発生層への移動が遅いことが原因と考えられた。以上のように三層反応系による光触媒水素発生に成功した。
次に、水素発生触媒である白金ナノ粒子を有機溶媒に分散可能なものに変更した二層反応系を検討した。水層に水の酸化触媒と光増増感剤、電子伝達剤を加え、有機層に白金ナノ粒子を分散させた後、水層に光照射を行ったところ、水素発生が観測された。
以上の結果から、本研究の課題は水の光酸化反応による電子伝達剤の還元状態の生成速度の向上に絞られた。
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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
本年度は、三層反応系を用いた光触媒的水素発生に成功した。また、水素発生触媒を工夫することで二層系で光触媒的な水分解に成功した。これまで、水の酸化の反応速度が遅いこと、電子伝達剤の有機溶媒への分配割合がやや低いことから電化分離の速度が遅くなっていること、有機層にある電子伝達剤の酸化反応層から還元反応層への拡散が遅いことなどを問題点として掲げて研究を行ってきたが、各々の課題で解決策が見つかりつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和7年度はこれまでに得られた成果に基づき問題点を整理しながら、得られた知見を利用して固体触媒化を進める。
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