2017 Fiscal Year Annual Research Report
ナノシートを用いた可視光利用可能な逆反応抑制型光触媒系の開発
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16J10084
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大島 崇義 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 層状ペロブスカイト / 酸窒化物 / 可視光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では層状化合物を用い、酸化・還元反応場を空間的に分離することで逆反応抑制を可能にした光触媒系を構築し、かつ可視光を利用して水分解反応を達成することを目的としている。昨年度、可視光応答型材料として有望である層状ペロブスカイト酸窒化物Li2LaTa2O6Nの合成に成功した。本年度はこれまでにほとんど明らかとなっていない層状構造を有する酸窒化物の光触媒特性を明らかにするため、Li2LaTa2O6Nの光触媒特性の詳細な検討を行った。その結果、Li2LaTa2O6Nは可視光応答型の光触媒として機能し、かつRu金属錯体光触媒と組み合わせることでCO2還元反応に活性を示すことを見出した。また、これまでに一般的に用いられてきた単純なペロブスカイト構造を有する酸窒化物光触媒とその活性を比較したところ、Li2LaTa2O6Nがより高い活性を示すことがわかった。これは層状酸窒化物の光触媒特性を明らかとした初めての例であり、層状ペロブスカイト型酸窒化物の光触媒としての高い可能性を示唆している。
さらに、層状ペロブスカイト型酸化物を酸窒化物の前駆体として用いた従来とは異なる方法を用いることで、新たに10種類の層状ペロブスカイト型酸窒化物の合成に成功した。これまでに合成例の極めて少ない層状ペロブスカイト型酸窒化物を合成する汎用的な方法を見出したという点において、評価が高いと考えられる。本年度得られた結果は国内の学会のみならず、国際学会においても積極的に発表しており（国内2件、国際3件）、国内学会では学生講演賞を、国際学会ではStudent Presentation Awardを受賞するなど、対外的にも評価を得ている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は可視光利用可能な材料の開発を目指し、研究を行った。一般的に層状窒化物の合成は困難であると認識されているが、合成条件を詳細に検討することで層状ペロブスカイト型酸窒化物であるLi2LaTa2O6Nを合成し、そのCO2還元光触媒としての活性を評価することに成功した。Li2LaTa2O6Nは可視光応答型の光触媒として機能するだけでなく、従来広く用いられてきた単純な層状ペロブスカイト型酸窒化物よりも高いCO2還元活性を示すことを見出した。層状ペロブスカイト型酸窒化物の光触媒、およびその高いポテンシャルを明らかとした初めての例である。
さらにこれまでに合成例が極めて少ない層状ペロブスカイト型酸窒化物であるが、層状ペロブスカイト型酸化物を前駆体として用いる方法を用いることで、A2LaTa2O6N (A = K, Rb, Cs)、K2ATa2O6N (A = Pr, Nd, Sm)、K2A2Ta3O9N (A = Ca, Sr, Ba), CsLa2Ta3O8N2の組成式で表される新規層状酸窒化物10種を新たに創出した。さらにこれらに化合物は空気中の水でさえも層空間に取り込む水への強い親和性を示し、かつ可視光照射下において光触媒活性を示すこともわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果をもとに、酸化・還元反応場を空間的に分離した逆反応抑制型光触媒系を構築、および可視光を利用して水分解反応の達成を目指す。一つ目として、HCa2Nb3O10ナノシート再積層体の層空間に水素発生の活性点となる白金ナノ粒子を、触媒表面には酸化反応サイト、および可視光吸収部位として機能するルテニウム金属錯体を導入し、反応場分離型光触媒を調製する。白金の担持量やルテニウム錯体の吸着量を検討することで、本光触媒系の高効率化を目指す。さらに白金とルテニウム錯体の両方が触媒表面に担持されている試料も調製し、これらの光触媒特性を調べることで、反応場分離が光触媒活性に及ぼす影響について検討する。
また研究代表者が昨年度まで合成に成功している種々の層状酸窒化物について光触媒活性の検討を行う。これらの化合物は新規化合物であるため、初めに結晶構造解析やバンド構造計算を行い、その詳細な基本的物性を明らかとする。次に本化合物群の可視光照射下における光触媒特性を酸化剤や還元剤を用いた水素・酸素発生の半反応を用いて調べる。本化合物群は組成や層の厚さを変えることが可能であり、これらの要素と光触媒特性の関連性について明らかとする。これらの検討をもとにし、有望な材料を用いて水分解反応に挑戦する。さらに合成された化合物群は空気中の水でさえ層空間に取り込む水への強い親和性を示すことがわかっている。このような独特な特性を利用した光触媒系の構築にも取り組む。得られた結果に関する論文の執筆を積極的に行う。
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