2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes |
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| Project/Area Number |
24107004
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
工藤 昭彦 東京理科大学, 理学部, 教授 (60221222)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 和仁 神奈川大学, 理学部, 教授 (20221088)
酒井 健 九州大学, 理学研究院, 教授 (30235105)
加藤 英樹 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (60385515)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 水素 / 半導体光触媒 / 分子性触媒 / 光生物学的水素生産 / ニトロゲナーゼ / Zスキーム / 価電子帯制御 / 白金錯体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体光触媒では，金属硫化物水素生成光触媒およびRGO-(助触媒担持BiVO4)コンポジットを用いたZスキーム型可視光水分解反応に成功した。また，光電気化学測定より，本Zスキーム系において，光触媒の光電気化学特性が重要な要因となることが明らかとなった。一方，ALi1/3Ti2/3O2 (A = Ag, Cu)可視光応答性層状酸化物光触媒において，チタン酸化物の層に種々の金属イオンをドーピングして半導体特性を変化させることにより，高活性化に成功した（工藤）。Li4Ti5O12を前駆体としてCuCl存在下でCu2Oと反応させることで，新物質Cu(Li1/3Ti2/3)O2を得ることに成功した。そして，Cu(I)が浅いポテンシャルの価電子帯を形成するためにバンドギャップが狭く600nmまでの可視光を吸収すること，メタノールを還元剤とする水素生成に対して活性な光触媒であることを明らかにした（加藤）。
金属錯体光触媒では，三段階の光化学過程で生じる三電子還元種を経由して水素発生を駆動する白金単核錯体触媒を見出すことに成功した。また，光水素発生デバイスの可視光応答性を向上させることで大幅な触媒回転数の向上にも成功した。一方，光水素生成及び光酸素発生分子触媒を固定化した酸化チタン電極の作製にも取り組んだ（酒井）。
生物系では，疑似太陽光照射装置により一日当たりの積算光量を同等にし，約12時間の明暗周期で照射する光の変動パターンを矩形波，正弦波と変えてシアノバクテリアを培養したところ，屋外を再現した正弦波に近い照射パターンのほうが，約3倍高い水素生産性が得られた。また，Nostoc sp. PCC 7120におけるV型ニトロゲナーゼ発現株と思われる株が得られた。紅色細菌については水素生産性が高くなる培地組成を明らかにした（井上）。
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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
半導体光触媒系では，金属硫化物光触媒と固体電子伝達剤RGOを用いた可視光応答性Zスキーム型光触媒を新たに開発できたことは意義があり，今後の新たな系の構築に指針を与えることができる（工藤）。Cu(I)含有Ti系複合酸化物の合成に初めて成功したことは，新しい光触媒材料群の開拓ならびに豊富資源の利用の点から重要な成果である（加藤）。
金属錯体系では，光水素生成触媒の新たな機構を提唱することに成功するなど，今後の研究に新たな方向性を示すことができた（酒井）。生物系では，ニトロゲナーゼを利用した水素生産システム構築のための基礎的知見が得られ，高効率化に対する方策が見えてきた（井上）。
以上のように，今後の展開に生かせる新たな成果・知見が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
半導体光触媒では，光触媒材料の開発に関して，これまでの研究で確立されたクリスタルエンジニアリングを実証するために，それに基づく新規金属酸化物および硫化物光触媒の設計および開発を行う。そこで開発された新規材料をソーラー水分解による水素生成のための粉末系光触媒および半導体光電極へ展開する。特に粉末系では，可視光水分解のための Zスキーム光触媒系の構築に関するこれまで得られた知見を基に，多様なZスキーム型光触媒を開発する（工藤）。また，Ta系酸化物へはCu(I)導入が比較的容易であるが，バンドギャップが大きく利用可能な波長領域が狭い。そこで，Cu(I)含有Ta系酸化物へのTi導入による長波長応答化を図ることで，水素生成に高効率な光触媒を構築する（加藤）。
錯体光触媒では，分子性触媒を用いた水の可視光完全分解デバイスの創製を目指し，その機能評価を行うことを目的とする（酒井）。
生物系では，V型ニトロゲナーゼ発現株については水素生産性を明らかにする必要がある。そこで，シアノバクテリアのヘテロシスト形成頻度を変えた改良株についての研究を進める。一方で，水素低透過性プラスチックバッグを素材としたバイオリアクターの改良を進める（井上）。
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[Presentation] Some schemes for improvement in activity and for cost reductionof photobiological hydrogen production by cyanobacteria and purple bacteria2016
Author(s)
H. Sakurai, H. Masukawa, T. Sato, H. Hanamoto, M. Kitashima, S. Nagashima, K. VP Nagashima, E. Shastik, T. Laurianavichene, Gavrisheva, A. Tsygankov, K. Inoue
Organizer
第57回日本植物生理学会年会
Place of Presentation
岩手大学 上田キャンパス
Year and Date
2016-03-19
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