Development of Co-catalysts for Artificial Photosynthesis Based on Quantum Nanostructures of Crystalline Solid Solution Oxides
| Project/Area Number |
23K23437
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| Project/Area Number (Other) |
22H02169 (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 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
辻 悦司 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (80610443)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片田 直伸 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (00243379)
菅沼 学史 北海道大学, 触媒科学研究所, 准教授 (90731753)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 複合酸化物 / 量子ナノ構造体 / 光触媒 / 電極触媒 / 結晶性複合酸化物 / 量子ナノ薄膜 / 量子ドット / 逆ミセル法 |
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| Outline of Research at the Start |
人工光合成は太陽光により二酸化炭素を炭素資源へと変換する技術であり、高効率で狙った生成物を得るための光触媒開発が進められている。本反応では表面反応を促進するために光触媒上に助触媒を担持することが多い。本研究では独自開発した複合酸化物量子ナノ構造体合成技術を応用することで、(i) 量子ナノ構造体制御による反応効率の向上、(ii) 化学組成制御による選択率制御、を両立した人工光合成助触媒を創出する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
マンガンやコバルトなどの遷移元素を含むスピネル型複合酸化物において、光触媒である酸化ガリウム上でのナノ形態制御を行った。具体的にはシクロヘキサン溶媒中で逆ミセルを形成し、その1 nmにも満たない水相中で前駆体である水酸化物前駆体を合成した。ここに担体となる酸化ガリウムと逆ミセルの開裂剤であるエタノールを加え、攪拌により前駆体を酸化ガリウム上に担持した。得られた試料をデカンテーションにより回収後、大気中で焼成し、酸化ガリウム上にスピネル型複合酸化物量子ナノ構造体を合成した。エタノールを加えて前駆体を担持する際、少量のアンモニア水を添加することで担持の際の溶液のpHを変化させた。pH 8では原子数層程度の量子薄膜と一部4 nm程度の量子ドットが得られたのに対し、pH 10では膜厚5 nm程度のナノ薄膜が主に得られ量子ドットのサイズもやや増大した。また前者では量子薄膜と量子ドットとで化学組成にずれが生じたのに対し、後者ではいずれの構造体も類似の化学組成であることを見出した。
これらの構造変化を明らかにするため、担持の際の前駆体および酸化ガリウムの表面電荷をゼータ電位測定により評価した。pH 8の溶液中では、前駆体表面が負に、酸化ガリウム表面が正に帯電していたのに対し、pH 10ではどちらも負に帯電していた。以上のことから、pH 8では前駆体-酸化ガリウム間での静電相互作用が強く前駆体が担体表面を広く覆うように担持されたのに対し、pH 10では前駆体が溶液中で凝集した後にデカンテーション時に担体に担持されたため、前者で数原子層の量子薄膜が、後者では5 nm程度のナノ薄膜が主に形成したと推察される。
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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
量子ナノ構造体の構造制御については、量子ナノ構造体の前駆体を担体である光触媒表面に担持する際の溶液のpHを制御することでそれぞれの表面電荷を変化させられている。これにより得られるスピネル型複合酸化物の形状も変化しており、目的とする形態の作り分けをほぼ達成できている。一方、二酸化炭素還元反応に対する触媒活性については、前述のナノ構造制御に思いの外時間がかかり、十分に評価ができていない試料もあることから引き続き進めていく。また必要に応じて光触媒活性だけではなく電極触媒活性も評価していく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは得られた複合型光触媒を用いた二酸化炭素還元活性を評価するが、必要に応じて電極触媒活性も評価する。またこれまで構造制御を行ってきたマンガン、コバルトなどを含むスピネル型複合酸化物において二酸化炭素還元活性が発現しない可能性もあるため、スピネル型複合酸化物のみならず、二酸化炭素還元活性が報告されている銅やスズを含み異なる結晶構造を有する酸化物群の探索も同時に進める。
一方、二酸化炭素還元反応においては反応時に酸化物触媒自体が還元される可能性も考えられる。そのため、反応前後の量子ナノ構造体の価数変化や構造変化についても調べ、反応時における活性種の評価も進めていく予定である。
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Report
(1 results)
Research Products
(12 results)
