Creation of highly active water-splitting photocatalysts

• 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: 20H05115
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 根岸 雄一 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (20332182)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 水分解光触媒 / 金属クラスター / 高機能化 / 面選択的担持 / 可視光応答 / 高活性化 / 助触媒 / water-splitting / photocatalysys

Outline of Research at the Start

水素は、エネルギー・環境問題を解決する新たなエネルギー源として大きな期待を集めており、太陽エネルギー（太陽光）と水から水素を発生させる水分解光触媒、特に近年では、太陽光を効率よく利用することが可能な可視光応答型の水分解光触媒が大きな注目を集めている。本研究では、高活性な結晶面を高い割合にて含んだ可視光応答水分解光触媒を作成し、そうした結晶面へ助触媒を選択的に担持することで、高活性な可視光応答水分解光触媒を創出する。

Outline of Annual Research Achievements

水分解光触媒は、水と太陽光からクリーンなエネルギー源である水素を製造できるため、長年注目を集めている。このような光触媒の高活性化には、金属ナノ粒子（NPs）を助触媒として光触媒上に担持することが有効である。我々はこれまでに、金属NPsよりも微細な金属ナノクラスター（NCs）や金属錯体を合成し、それらを担持する手法を確立することで、活性点となる助触媒の微細化に伴う水分解光触媒の高活性化に成功してきた。一方、一部の半導体光触媒においては、励起された電子と正孔（キャリア）が、それぞれ到達しやすい結晶面が存在することが知られている。そのため、微細な助触媒を適切な光触媒結晶面に選択的に担持できれば、更なる活性向上が期待できる。そこで、本研究では、水素生成助触媒として働く微細なロジウム（Rh）酸化物を、光触媒上の励起電子が移動しやすい結晶面（水素生成面）へ選択的に担持する方法を開発し、水分解活性の更なる向上を試みた。光触媒担体には18-facet SrTiO3（18-STO）を、助触媒の前駆体には液相法により合成したRh錯体（Rh:SG）を用いた。初めに18-STO表面上に酸化クロム（Cr2O3）膜を光電着させた。その後、この光触媒にRh:SGをメタノール存在下で光電着することにより、Rh:SGを18-STOの結晶面のうち水素生成面（{100}面）上に選択的に担持させた。次に、焼成処理により配位子を除去し、光照射することで目的の光触媒（RhxCryOz /18-STO）を調製した（本手法）。本手法で調製した光触媒は、Bare-18-STOと比較して大幅に高い水分解活性を示した。これは、NCs吸着法と比較しても1.2倍高い。これらは、Rh酸化物助触媒を18-STOの水素生成面に選択的に担持することによって、励起キャリアの再結合が抑制されたためだと解釈した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development and Functionalization of Visible-light-driven Water-splitting Photocatalysts (2022)
  • Author(s): T. Kawawaki, M. Kawachi, D. Yazaki, Y. Akinaga, D. Hirayama, Y. Negishi
  • Journal Title: Nanomaterials Volume: 12 Issue: 3 Pages: 344-344
  • DOI: 10.3390/nano12030344
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward the Creation of High-performance Heterogeneous Catalysts by Controlled Ligand Desorption from Atomically Precise Metal Nanoclusters (2021)
  • Author(s): T. Kawawaki, Y. Kataoka, M. Hirata, Y. Iwamatsu, S. Hossain, Y. Negishi
  • Journal Title: Nanoscale Horiz Volume: 57 Issue: 6 Pages: 409-448
  • DOI: 10.1039/d1nh00046b
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermal Stability of Crown-Motif [Au9(PPh3)8]3+ and [MAu8(PPh3)8]2+ (M = Pd, Pt) Clusters: Effects of Gas Composition, Single-Atom Doping, and Counter Anions (2021)
  • Author(s): Matsuyama Tomoki、Kikkawa Soichi、Fujiki Yu、Tsukada Mio、Takaya Hikaru、Yasuda Nobuhiro、Nitta Kiyofumi、Nakatani Naoki、Negishi Yuichi、Yamazoe Seiji
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 155 Issue: 4 Pages: 044307-044307
  • DOI: 10.1063/5.0059690
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simple and High-Yield Preparation of Carbon-Black-Supported ~1-nm Platinum Nanoclusters and Their Oxygen Reduction Reactivity (2021)
  • Author(s): T. Kawawaki, N. Shimizu, K. Funai, Y. Mitomi, S. Hossain, S. Kikkawa, D. J. Osborn, S. Yamazoe, G. F. Metha, Y. Negishi
  • Journal Title: Nanoscale Volume: 13 Issue: 35 Pages: 14679-14687
  • DOI: 10.1039/d1nr04202e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Creation of High-Performance Heterogeneous Photocatalysts by Controlling Ligand Desorption and Particle Size of Gold Nanocluster (2021)
  • Author(s): T. Kawawaki, Y. Kataoka, M. Hirata, Y. Akinaga, R. Takahata, K. Wakamatsu, Y. Fujiki, M. Kataoka, S. Kikkawa, A. S. Alotabi, S. Hossain, D. J. Osborn, T. Teranishi, G. G. Andersson, G. F. Metha, S. Yamazoe, Y. Negishi
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed Volume: 60 Issue: 39 Pages: 21340-21350
  • DOI: 10.1002/anie.202104911
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Supported, ~1-nm-Sized Platinum Clusters: Controlled Preparation and Enhanced Catalytic Activity (2021)
  • Author(s): T. Kawawaki, N. Shimizu, Y. Mitomi, D. Yazaki, S. Hossain, Y. Negishi
  • Journal Title: Bull. Chem. Soc. Jpn Volume: 94 Issue: 12 Pages: 2853-2870
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210311
  • NAID: 130008144721
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Creation of Active Water-splitting Photocatalysts by Controlling Cocatalysts Using Atomically Precise Metal Nanoclusters (2021)
  • Author(s): T. Kawawaki,Y. Kataoka, S. Ozaki, M. Kawachi, M. Hirata, Y. Negishi
  • Journal Title: Chem. Commun Volume: 57 Issue: 4 Pages: 417-440
  • DOI: 10.1039/d0cc06809h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thiolate-Protected Metal Nanoclusters: Recent Development in Synthesis, Understanding of Reaction, and Application in Energy and Environmental Field (2021)
  • Author(s): T. Kawawaki, A. Ebina, Y. Hosokawa, S. Ozaki, D. Suzuki, S. Hossain, Y. Negishi
  • Journal Title: Small Volume: 印刷中 Issue: 27 Pages: 2005328-2005328
  • DOI: 10.1002/smll.202005328
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photo/electrocatalysis and Photosensitization Using Metal Nanoclusters for Green Energy and Medical Applications (2020)
  • Author(s): T. Kawawaki, Y. Negishi, H. Kawasaki
  • Journal Title: Nanoscale Adv Volume: 2 Issue: 1 Pages: 17-36
  • DOI: 10.1039/c9na00583h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Understanding and designing one-dimensional assemblies of ligand-protected metal nanoclusters (2020)
  • Author(s): Sakiat Hossain, Yukari Imai, Yuichi Motohashi, Zhaoheng Chen, Daiki Suzuki, Taiyo Suzuki, Yuki Kataoka, Momoko Hirata, Tasuku Ono, Wataru Kurashige, Tokuhisa Kawawaki, Takahiro Yamamoto and Yuichi Negishi
  • Journal Title: Materials Horizons Volume: 7 Issue: 3 Pages: 796-803
  • DOI: 10.1039/c9mh01691k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Activation of Water-Splitting Photocatalysts by Loading with Ultra-fine Rh–Cr Mixed-Oxide Co-catalyst Nanoparticles (2020)
  • Author(s): Wataru Kurashige, Yutaro Mori, Shuhei Ozaki, Masanobu Kawachi, Sakiat Hossain, Tokuhisa Kawawaki, Cameron J. Shearer, Akihide Iwase, Gregory F. Metha, Seiji Yamazoe, Akihiko Kudo, and Yuichi Negishi
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 59 Issue: 18 Pages: 7076-7082
  • DOI: 10.1002/anie.201916681
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanistic Study of Silane Alcoholysis Reaction with Self-Assembled Monolayer-Functionalized Gold Nanoparticle Catalysts (2020)
  • Author(s): K. Isozaki, T. Taguchi, K. Ishibashi, T. Shimoaka, W. Kurashige, Y. Negishi, T. Hasegawa, M. Nakamura, K. Miki
  • Journal Title: Catalysts Volume: 10 Issue: 8 Pages: 908-908
  • DOI: 10.3390/catal10080908
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Increase in CO2 reduction rate via optical near-field effect (2020)
  • Author(s): Takashi Yatsui, Yuki Nakamura, Yosuke Suzuki, Tatsuki Morimoto, Yuma Kato, Muneaki Yamamoto, Tomoko Yoshida, Wataru Kurashige, Nobuyuki Shimizu, Yuichi Negishi, Kenji Iida, Katsuyuki Nobusada
  • Journal Title: Journal of Nanophotonics Volume: 14 Issue: 04 Pages: 046011-046011
  • DOI: 10.1117/1.jnp.14.046011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 金属単原子を担持した窒化炭素光触媒による可視光水分解水素生成 (2022)
  • Author(s): 亀甲ひなの 平田桃子 秋永有輝 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 高活性かつ実用的な白金クラスター触媒の創製 (2021)
  • Author(s): 川脇徳久 三富優介 清水暢之 S. Hossain 吉川聡一 山添誠司 G.F.Metha 根岸雄一
  • Organizer: ナノ学会第19回大会
• [Presentation] 極微細Ptクラスター助触媒による水分解光触媒の高活性化 (2021)
  • Author(s): 矢崎大地 川地正将 平山大祐 川脇徳久 加藤康作 山方啓 吉川聡一 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: 第12回 触媒科学研究発表会
• [Presentation] 高活性酸素還元反応活性を有した微細白金クラスターの創製 (2021)
  • Author(s): 根岸雄一
  • Organizer: 量子・デバイス研究会「革新的材料の創出とデバイス応用」
• [Presentation] Ni多核錯体の原子精度での合成と電気化学測定による酸素生成反応触媒活性の評価 (2021)
  • Author(s): 船木壮太 岩松侑輝 岡田知篤 川脇徳久 吉川聡一 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: 2021年電気化学秋季大会
• [Presentation] Control of Cu metal exchange in thiolate protected gold-based 25 atoms alloy clusters (2021)
  • Author(s): R.Kaneko S.Miyajima T.Iwasa S.Hossain T.Kawawaki Y.Negishi
  • Organizer: 錯体化学会第71回討論会
• [Presentation] 焼成過程の理解に基づく高活性な金クラスター担持水分解光触媒の創製 (2021)
  • Author(s): 秋永有輝 平田桃子 川脇徳久 高畑遼 片岡実織 吉川聡一 寺西利治 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: 第72回 コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 極微細な白金助触媒ナノ粒子担持による可視光応答水分解光触媒の高活性化 (2021)
  • Author(s): 川地正将 矢崎大地 平山大祐 川脇徳久 加藤康作 山方啓 吉川聡一 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: 第31回 日本MRS年次大会
• [Presentation] 1 nm程度のPtクラスター助触媒担持による可視光応答水分解光触媒g-C3N4の高活性化 (2021)
  • Author(s): 矢崎大地 川地正将 平山大祐 川脇徳久 加藤康作 山方啓 吉川聡一 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: 第40回 光がかかわる触媒化学シンポジウム
• [Presentation] 超原子分子Ag23Pd2クラスターの合成と評価 (2021)
  • Author(s): 宮嶋小百合 金子凌 Sakiat Hossain 川脇徳久 岩佐豪 武次徹也 根岸雄一
  • Organizer: 第15回 分子科学討論会
• [Presentation] 白金ナノクラスター助触媒担持による可視光応答水分解光触媒の高活性化 (2021)
  • Author(s): 根岸雄一
  • Organizer: 東京理科大学 研究推進機構 総合研究院 界面科学研究部門 2020 年度報告会
• [Presentation] 光誘起金属ナノクラスター合成による単結晶生成制御法の確立 (2020)
  • Author(s): 加藤竣 細川泰長 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: ナノ学会第18回大会
• [Presentation] チオラート保護金25量体クラスターと半導体触媒における界面の調査 (2020)
  • Author(s): 平田桃子 片岡祐紀 川脇徳久 藤木裕宇 平山純 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: ナノ学会第18回大会
• [Presentation] 微細な金属酸化物粒子の助触媒効果による光触媒メタン－メタノール変換反応の促進 (2020)
  • Author(s): 岩松侑輝 船木壮太 平山純 川脇徳久 山添誠司 根岸雄一
  • Organizer: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] LC/MSによる新規合金ナノクラスター生成メカニズムの解明 (2020)
  • Author(s): 海老名彩乃 堀畑洸 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 日本分析化学第69年会
• [Presentation] サイズ制御された白金クラスターの簡便な合成法の確立とそれらの酸素還元能の評価 (2020)
  • Author(s): 舩井香菜子、清水暢之、川脇徳久、根岸雄一,
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] LC/MSを用いた合金クラスターの配位子交換反応における反応追跡 (2020)
  • Author(s): 堀畑洸 海老名彩乃 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] サイズ制御された微小Ptナノクラスター助触媒を用いた可視光応答水素生成光触媒の創製 (2020)
  • Author(s): 川地正将 小崎周平 矢崎大地 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] 複数配位子を用いたAgクラスター合成における構造形成メカニズムの解明 (2020)
  • Author(s): 小林いぶき 堀田佑介 SakiatHossain 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ2020
• [Presentation] サイズ制御されたPtナノクラスター助触媒担持による可視光応答水素生成水分解光触媒の高活性化 (2020)
  • Author(s): 川地正将 小崎周平 矢崎大地 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 光機能材料研究会第25回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」
• [Presentation] サイズ制御されたPtナノクラスター助触媒担持による可視光応答水素生成水分解光触媒（g-C3N4）の高活性化 (2020)
  • Author(s): 川地正将 小崎周平 矢崎大地 川脇徳久 根岸雄一
  • Organizer: 新学術領域「革新的光-物質変換」第一回若手交流オンラインセミナー
• [Presentation] 精密合金クラスター利用による助触媒の一原子置換効果の解明 (2020)
  • Author(s): 片岡祐紀 川脇徳久 山添誠司 工藤昭彦 根岸雄一
  • Organizer: 新学術領域「革新的光-物質変換」第一回若手交流オンラインセミナー