光触媒表面反応に着目した人工光合成システムの合理的設計

• Project Area: Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes
• Project/Area Number: 15H00871
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 吉田 朋子 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (90283415)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2016: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2015: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 二酸化炭素還元 / 光触媒 / 銀助触媒 / in-situ FT-IR / XAFS / TEM / 触媒・化学プロセス / 触媒表面反応メカニズム

Outline of Annual Research Achievements

銀担持量の異なる銀担持酸化ガリウム光触媒（Ag/Ga2O3）を調製し，水を電子源とした二酸化炭素還元反応を行ったところ，0.1 wt% Ag/Ga2O3触媒を用いた時のCO生成速度はGa2O3触媒に比べて十数倍大きくなったが，1.0 wt% まで銀担持量を増加させると0.1 wt%担持した場合と比べて約半分までCO生成速度が小さくなった．また両触媒についてTEM観察を行った結果，0.1 wt% Ag/Ga2O3触媒中には1 nm程度のAgクラスターが主に存在しており，1.0 wt% Ag/Ga2O3触媒中では主に2 ~ 10 nmのAg粒子が多数存在していることが明らかとなった．
Ag L3-edge XANES及びAg K-edge EXAFS解析の結果，1 nm程度のAgクラスターは，Ag-Ag結合距離がバルクAgのものと同等であることから金属種であることが分かり，更に担体との相互作用によってAg 4d軌道の電子密度がバルクAgよりも増加していることが示唆された．1.0 wt% Ag/Ga2O3触媒中の2 ~ 10 nm 程度のAg粒子については2種類のAg-Ag対が認められ，その原子間距離からAg金属粒子とAgGaO2のような複合酸化物種が混在していることが分かった．
これらの結果を反応中におけるin-situ FT-IR測定結果と比較したところ，特に複合酸化物種はCO2の吸着サイトを増加させるものの，反応中間体bidentate-formateの生成には寄与しないのに対し，担体との相互作用の強い小さなAgクラスターはbidentate-formate生成を促進し，CO生成量を増加させることが明らかとなった．
一方、銀助触媒の新奇な調製法として銀電極を水中で放電させることによってナノ粒子を合成する手法（液中プラズマ法）の構築を目指した．プラズマ放電条件，水に加える電解質の種類・濃度，水温によって，銀ナノ粒子のサイズを変えられることが分かり，実際に合成した銀ナノ粒子を助触媒として用いることができた．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] XAFS study on a photodeposition process of Pt nanoparticles on TiO2 photocatalyst (2016)
  • Author(s): T. Yoshida, Y. Minoura, Y. Nakano, M. Yamamoto, S. Yagi and H. Yoshida
  • Journal Title: J. Phys: Conference Series Volume: 712 Pages: 012076-012079
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hydrogen Storage of Pd/Mg composite Nanoparticles Fabricated by Gas Evaporation Method (2016)
  • Author(s): S. Ogawa, H. Suzuki, C. Tsukada, T. Yoshida and S. Yagi
  • Journal Title: e-J. Surf. Sci. Nanotech. Volume: 14 Pages: 150-153
  • NAID: 130005151355
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ag K- and L3-edge XAFS study on Ag species in Ag/Ga2O3 photocatalysts (2016)
  • Author(s): M. Yamamoto, T. Yoshida, N. Yamamoto, T. Nomoto, A. Yamamoto, H. Yoshida and S. Yagi
  • Journal Title: J. Phys: Conference Series Volume: 712 Pages: 012074-012077
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] XAFS analysis for quantification of the gallium coordinations in Al2O3-supported Ga2O3 photocatalysts (2016)
  • Author(s): M. Akatsuka, T. Yoshida, N. Yamamoto, M. Yamamoto, S. Ogawa and S. Yagi
  • Journal Title: J. Phys: Conference Series Volume: 712 Pages: 012056-012059
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhancement of photocatalytic activity of TiO2 by plasma irradiation (2016)
  • Author(s): S. Kajita, T. Yoshida, N. Ohno, T. Ishida and D. Kitaoka
  • Journal Title: Japan. J. Appl. Phys. Volume: 55 Pages: 106202-106208
  • NAID: 120005905581
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photocatalytic reduction of CO2 with water promoted by Ag clusters in Ag/Ga2O3 photocatalyst (2015)
  • Author(s): M. Yamamoto, T. Yoshida, N. Yamamoto, T. Nomoto, Y. Yamamoto, S. Yagi and H. Yoshida
  • Journal Title: J. Mater. Chem. A Volume: 3 Pages: 16810-16816
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effective nitrogen doping into TiO2 for visible light response photocatalysis (2015)
  • Author(s): T. Yoshida, S. Niimi, M. Yamamoto, T. Nomoto and S. Yagi
  • Journal Title: J. Colloid Interf. Science Volume: 447 Pages: 278-281
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterization of nitrogen ion implanted TiO2 photocatalysts by XAFS and XPS (2015)
  • Author(s): T. Yoshida, S. Niimi, M. Yamamoto, S. Ogawa, T. Nomoto and S. Yagi
  • Journal Title: Nucl. Instr. and Meth. B Volume: 365 Pages: 79-81
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The loading effect of silver nanoparticles prepared by impregnation and solution plasma methods on the photocatalysis of Ga2O3 (2015)
  • Author(s): M. Yamamoto, T. Yoshida, N. Yamamoto, T. Nomoto and S. Yagi
  • Journal Title: Nucl. Instr. and Meth. B Volume: 365 Pages: 64-68
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of nitrogen-related defects on visible light photocatalytic response in N+ implanted TiO2: (2015)
  • Author(s): J. Senga, K. Tatsumi, S. Muto and T. Yoshida
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 118 Pages: 115702-115707
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Chemical state analysis of nitrogen doped titanium dioxide (2017)
  • Author(s): T. Yoshida, M. Yamamoto, A. Ozawa, Y. Kato, S. Yagi
  • Organizer: 18th International Symposium on Eco-materials Processing and Design
  • Place of Presentation: Okinawa, Naha, Jichikaikan
  • Year and Date: 2017-02-17
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effective Nitrogen Doping into TiO2 for Visible Light Response Photocatalysis by Ion Implantation Technique (2017)
  • Author(s): T. Yoshida, S. Niimi, M. Yamamoto, S. Yagi
  • Organizer: 44th Conference on the Physics and Chemistry of Surface and Interface
  • Place of Presentation: Santa Fe, USA
  • Year and Date: 2017-01-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化ガリウム光触媒上での二酸化炭素吸着状態 (2017)
  • Author(s): 吉田朋子，山本宗昭，赤柄誠人，八木伸也
  • Organizer: 電気学会光・量子デバイス研究会
  • Place of Presentation: 高知県高知市 ちより街テラス会議室
• [Presentation] Quantitative chemical state analyses of visible light response nitrogen doped titanium dioxide photocatalysts (2016)
  • Author(s): T. Yoshida, S. Niimi, E. Kuda, S. Yagi
  • Organizer: 6th Interbational IUPAC Conference on Green Chemistry
  • Place of Presentation: Venice, Italy
  • Year and Date: 2016-09-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical and electronic state analysis of nitrogen implanted TiO2 photocatalysts (2016)
  • Author(s): T. Yoshida, S. Niimi, M. Yamamoto, S. Muto and S. Yagi
  • Organizer: International Symposium on Nanostructured Photocatalysts and Catalysts
  • Place of Presentation: Osaka, Suita, Osaka University
  • Year and Date: 2016-04-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 銀担持酸化ガリウム光触媒による二酸化炭素還元反応 (2016)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 第二回OCU物質科学フロンティアシンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府、大阪市）
  • Year and Date: 2016-01-08
  • Invited
• [Presentation] Application of nanostructured tungsten fabricated by He plasma irradiation as a photocatalyst (2015)
  • Author(s): T. Yoshida, K. Komori, M. Yamamoto, S. Yagi, M. Yajima, S. Kajita and N.Ohno
  • Organizer: First International Symposium on Recent Progress of Energy and Environmental Photocatalysis
  • Place of Presentation: Tokyo University of Science (千葉県、野田市）
  • Year and Date: 2015-09-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ｘ線吸収スペクトルによる機能性材料物性分析 (2015)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 次世代自動車公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県、名古屋市）
  • Year and Date: 2015-08-06
  • Invited
• [Presentation] イオン・プラズマ照射材料の光触媒への応用 (2015)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 第５７回放射線科学研究会
  • Place of Presentation: 住友クラブ（大阪府、大阪市）
  • Year and Date: 2015-07-17
  • Invited
• [Presentation] TiO2可視光応答化にかかわる窒素の化学状態及び添加量 (2015)
  • Author(s): 吉田朋子，新美悟志，山本宗昭，武藤俊介，八木伸也
  • Organizer: 光がかかわる触媒シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学(東京都、目黒区）
  • Year and Date: 2015-06-19
  • Invited
• [Presentation] 窒素イオン注入による酸化チタン光触媒の可視光応答化 (2015)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 新しい原子分子組織化物質・材料創出に向けた光・量子ビーム応用技術調査専門委員会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県、名古屋市）
  • Year and Date: 2015-05-08
  • Invited