CO2還元助触媒開発に向けた鉄硫化物上におけるプロトン移動誘起とZスキームの構築

Publicly Offered Research

Project Area	Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space
Project/Area Number	18H05159
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	山口晃東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (00756314)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2020-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000) Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000) Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywords	金属硫化物 / CO2還元 / 重回帰分析 / CaFe2O4 / 光電極 / 二酸化炭素還元 / 電気化学 / 鉄硫化物 / プロトン移動 / プロトン共役電子移動
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、金属硫化物を用いた電気化学的なCO2還元触媒の開発、ならびにその光機能化を目的として研究を推進した。昨年度までの結果で、Fe-Ni複合硫化物を用いてのCO2還元において、系内にアミノ酸分子を添加することで活性が向上することを明らかにした。ここで用いていたサンプルは混合物であったが、既報の合成法を参考にすることで単相のFe-Ni硫化物であるviolarite(FeNi2S4)を合成することに成功した。こちらを用いてアミノ酸分子の存在下でCO2還元能のpH依存性を検討したところ、塩基性においてはアミノ酸分子添加によりギ酸の生成能は向上したが、COの生成は低下するという結果となった。また、共同研究で行ったin situ電気化学XAFS測定では、反応中にFeとNiの価数変化が起こっていることを明らかにした。これらの結果は、自然界に豊富に存在する鉄硫化物を電極触媒として適用する上で重要な知見を与えるものである。さらに、広く金属硫化物の触媒としての利用可能性を検討するため、複数(約10種類)の金属硫化物を合成、そのCO2還元能を検討し、これらの金属硫化物の物理化学パラメータとCO2還元活性にどのような相関があるかに関して知見を得るため、重回帰分析を行った。その結果、金属硫化物上でのCO生成に関しては結合距離や結合角といった構造的なパラメータの寄与が大きいことが分かった。既往の金属電極ではCO、ギ酸生成共に電気陰性度や電子親和力といった電子的パラメータが効いていることから、金属硫化物上でのCO生成は既存のモデルとは異なる特異なメカニズムで進行していると考えられる。同時並行で、普遍元素からなる光電極の作成も進めた。具体的には、CaFe2O4光電極の作成時に、溶融塩法を適用することで、ナノロッド型薄膜を作成し、既往のプロセスで作成したものと比較して大きな光電流の値を得た。
Research Progress Status	令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和元年度が最終年度であるため、記入しない。