触媒表面機能コア制御による二酸化炭素還元光触媒設計への挑戦

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 22H04511
• 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 Metropolitan University
• Principal Investigator: 吉田 朋子 大阪公立大学, 人工光合成研究センター, 教授 (90283415)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 複合型in-situ分光分析 / CO２還元反応メカニズム / 光触媒 / 構造解析 / 金属ナノ粒子助触媒 / 人工光合成 / 二酸化炭素還元 / 銀助触媒 / 酸化ガリウム光触媒

Outline of Research at the Start

本研究では，二酸化炭素還元反応（人工光合成）を促進するAg助触媒担持Ga2O3（Ag/Ga2O3）光触媒を対象に，Ag助触媒とGa2O3界面に形成される結晶欠陥等の活性サイト（機能コア）の局所構造・電子状態，反応機構に及ぼす効果を解明する．また，この活性サイトを模倣しながらGa2O3表面に特異な結晶欠陥を導入することで，不安定なAg助触媒を担持しなくても二酸化炭素還元を促進する高効率且つ安定な新奇光触媒を構築する．これを実現するための，合理的な触媒設計，活性サイトの可視化，反応基質と活性サイトの動的反応プロセスを観察するための測定システムの構築も目指す．

Outline of Annual Research Achievements

1)複合型in-situ分光測定システムの構築
これまで不明であった酸化ガリウム光触媒（Ga2O3）への銀助触媒担持効果について，自ら構築したin-situ FT-IR・光吸収・発光測定システムや，放射光施設との共同研究で確立したXAFS測定システムを組み合わせた複合型「その場」分析により詳細に調べていた．これにより，Ag-Ga複合酸化物が形成された場合には，CO2は不活性なmonodentate-carbonateとして吸着され反応中間体は生成しないが，銀ナノ粒子・クラスターが形成された場合には，Ga2O3に吸着したmonodentate bicarbonateやbidentate carbonateへの効率的な電子移動により反応中間体生成を促進し，反応効率が飛躍的に向上することを明らかにしている．
2)助触媒非担持酸化ガリウム光触媒の設計
Ga2O3の多形に注目し，異なる結晶構造（α, β, γ相など）を，α/β, β/γなど様々な組み合わせで接合する混相Ga2O3光触媒をGa2O3の前駆体である硝酸ガリウムを用いた独自手法により合成した．また比表面積や結晶構造の異なるAl2O3やMgAl2O4を担体として，混相Ga2O3を担持した光触媒を調製した．これらの助触媒非担持光触媒を用いて，水による二酸化炭素還元反応を高効率且つ安定に進行させると共に，上記複合型in-situ分光分析により反応メカニズムについても解明した．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Heterogeneous Single-Atom Zinc on Nitrogen-Doped Carbon Catalyzed Electrochemical Allylation of Imines (2023)
  • Author(s): Masuda Ryusuke、Yasukawa Tomohiro、Yamashita Yasuhiro、Maki Tei、Yoshida Tomoko、Kobayashi Shu?
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Issue: 22 Pages: 11939-11944
  • DOI: 10.1021/jacs.3c03674
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 酸化ガリウム光触媒上に担持された銀ナノ粒子のin-situ UV-Vis拡散反射及びXAFS測定 (2023)
  • Author(s): 山本宗昭、北嶋乃樹、田辺哲朗、吉田朋子
  • Journal Title: X線分析の進歩 Volume: 54 Pages: 165-172
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] プラズマ照射によるタングステン材料への光触媒機能付与 (2023)
  • Author(s): 吉田朋子、菰口佳吾、小森勝之、梶田信、山本宗昭
  • Journal Title: X線分析の進歩 Volume: 54 Pages: 157-164
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Al2O3 and MgAl2O4 Support on Photocatalytic Activity of Ga2O3 in CO2 Reduction with Water (2023)
  • Author(s): Ichikawa Kyoshiro、Aoki Tomomi、Akatsuka Masato、Yamamoto Muneaki、Tanabe Tetsuo、Yoshida Tomoko
  • Journal Title: Catalysis Letters Volume: 154 Issue: 5 Pages: 2008-2022
  • DOI: 10.1007/s10562-023-04424-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Chemical State Analyses on Nitrided GaOOH as a Visible Light Response Photocatalyst (2022)
  • Author(s): Yamamoto Muneaki、Kato Yuma、Yagi Shinya、Tanabe Tetsuo、Yoshida Tomoko
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 20 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2022-003
  • NAID: 130008158079
  • ISSN: 1348-0391
  • Year and Date: 2022-02-05
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoelectrochemical properties of plasma-induced nanostructured tungsten oxide (2022)
  • Author(s): Feng Shuangyuan、Kajita Shin、Higashi Masanobu、Bieberle-H?tter Anja、Yoshida Tomoko、Ohno Noriyasu
  • Journal Title: Applied Surface Science Volume: 580 Pages: 151979-151979
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151979
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mixed phases of GaOOH/α-Ga2O3 and α-Ga2O3/β-Ga2O3 prepared by high energy ball milling as active photocatalysts for CO2 reduction with water (2022)
  • Author(s): T. Aoki, M. Yamamoto, T. Tanabe, T. Yoshida
  • Journal Title: New J. Chem Volume: 46 Issue: 7 Pages: 3207-3213
  • DOI: 10.1039/d1nj05245d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of a stable CdS photoanode for photoelectrochemical CO₂ reduction under visible-light irradiation (2022)
  • Author(s): Higashi Masanobu、Tanaka Itsuki、Amao Yutaka、Yoshida Tomoko
  • Journal Title: New Journal of Chemistry Volume: 46 Issue: 13 Pages: 5932-5938
  • DOI: 10.1039/d1nj06073b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of meso-porous a-Ga2O3 from liquid Ga metal having significantly high photocatalytic activity for CO2 reduction with water (2022)
  • Author(s): T. Aoki, K. Ichikawa, K. Sonoda, M. Yamamoto, T. Tanabe, T. Yoshida
  • Journal Title: RSC Adv. Volume: 12 Issue: 12 Pages: 7164-7167
  • DOI: 10.1039/d1ra09039a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 総論・ケーススタディ (2023)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 触媒学会
  • Invited
• [Presentation] イオン注入法による半導体材料への機能付与 (2023)
  • Author(s): 山本宗昭、田辺哲朗、吉田朋子
  • Organizer: Ｘ線分析討論会
• [Presentation] X線吸収分光を基軸とした定量的局所構造・電子状態解析法の構築と複合型その場分析への展開 (2023)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 日本分析化学会
  • Invited
• [Presentation] NITROGEN DOPING INTO THICKNESS-CONTROLLED TITANIUM DIOXIDE PHOTOCATALYSTS (2023)
  • Author(s): Tomoko Yoshida, Tetsuo Tanabe, Muneaki Yamamoto
  • Organizer: 13th International Symposium on "Scientific Bases for the Preparation of Heterogeneous Catalysts"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ駆動型化学反応系の複合分析と機能材料の開拓 (2023)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Characterization of nitrogen doped TiO2 photocatalysts by X-ray absorption and photoemission spectroscopies (2022)
  • Author(s): T. Yoshida, T. Tanabe, S. Yagi, M. Yamamoto
  • Organizer: 14th International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices '22,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Generation of visible light response photocatalysis by nitrogen doping into metal oxides (2022)
  • Author(s): T. Yoshida, Y. Kato, A. Ozawa, T, Tanabe, M. Yamamoto
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
  • Invited
• [Presentation] Heプラズマ照射タングステン材料の光触媒への応用 (2022)
  • Author(s): 吉田朋子
  • Organizer: 2022年度ナノ構造触媒研究会講演会
• [Book] 触媒総合事典 (2023)
  • Author(s): 吉田朋子、山本宗昭
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 朝倉書店
• [Book] 触媒総合事典 (2023)
  • Author(s): 触媒学会
  • Total Pages: 544
  • Publisher: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254252743
• [Book] 固体表面キャラクタリゼーション 機能性材料・ナノマテリアルのためのスペクトロスコピー (2022)
  • Author(s): 山下 弘巳、吉田 寿雄、田中 庸裕
  • Total Pages: 304
  • Publisher: 講談社
  • ISBN: 9784065261262