2017 Fiscal Year Research-status Report
光電気化学的アプローチによる金属錯体‐半導体ハイブリッド光触媒の開発
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16K21031
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
熊谷 啓 東京工業大学, 理学院, 特任助教 (80761311)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 二酸化炭素還元 / 人工光合成 / 光電気化学 / 金属錯体 / 半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究「光電気化学的アプローチによる金属錯体－半導体ハイブリッド光触媒の開発」では、可視光を利用した二酸化炭素還元反応を駆動するハイブリッド光触媒を電極化することで、光電気化学的な手法を用いた開発と評価を行っている。
今年度は、主にRu(II)-Re(I)二核錯体光触媒をp型半導体電極上に機能化した一段階励起型のハイブリッド光触媒電極を対象として、光触媒機能の高性能化を狙い、半導体電極の表面への異種材料の修飾による金属錯体―半導体の複合界面構造のデザイニングを行いその光電気化学的な特性評価を行った。
ｐ型半導体であるCuGaO2を用いた電極に対して、貴金属ナノ粒子を修飾した後にRu(II)-Re(I)二核錯体光触媒と複合化した新規光触媒電極を調製した。貴金属ナノ粒子としては、Au, Agを選択した。これら電極は、CO2飽和水溶液中、金属錯体光触媒が励起される可視光照射下において光還元電流を生成し、未修飾の電極に比べより速やかな光電流の応答が見られた。電気化学インピーダンス測定から，電子移動過程における抵抗の低減が示唆され，貴金属修飾が電極内における電子移動効率の向上に有効であることが示された。光触媒反応の結果、Au修飾はCO2還元反応の選択性の向上、Ag修飾は反応速度の向上に有効であることが見いだされた。光電流応答の波長依存性が金属錯体光触媒に起因する光吸収波長と良好な一致を示すことから、これら界面への修飾が複合化された光触媒の機能を向上していることが示唆された。更に、Ag修飾をした光触媒電極と、酸化反応用の半導体光触媒電極を組み合わせることで金属錯体と半導体の両者が可視光励起することによる水を電子源としたCO2還元反応の効率を10倍程度向上することに成功した。
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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
本研究では、二段階励起型の金属錯体－半導体ハイブリッド光触媒について、いまだ達成されていない水を電子源とした人工光合成系の開発指針となる知見を得ることを目的としている。
本年度においては、金属錯体のみが光励起する光触媒電極系において、複合界面の構造設計が、金属錯体への電子移動プロセスや光触媒機能に及ぼす影響を光電気化学的な手法を持用いて検討を進めた。複合界面への異種金属の修飾によって、固定化された金属錯体光触媒の触媒活性が大きく向上すること、またこのような際に、インピーダンス測定などの（光）電気化学的手法によって定量的に評価する方法を見出した。またこのような検討での知見を、水の酸化反応に活性な半導体光触媒電極と組み合わせによる、外部バイアスを必要としない可視光のエネルギーのみを用いた水を電子源とした二酸化炭素還元反応系に適用したところ、昨年度に報告した未修飾の系の効率を10倍程度大きく向上させることができた。従って、当初計画において目的としていた高効率化の指針の知見を深めることができたとみなし、順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度においては、ここまでに得られた金属錯体－半導体間の複合界面構造が及ぼす光触媒活性への知見を深め、複合系における高効率化の指針をより詳細に検討する。特に、本年度活性向上への効果が見いだされた貴金属修飾電極を主な対象として、(1)高効率化に有効な界面のエネルギー構造の詳細な解析 を行う。
また、最終的な目標である二酸化炭素還元と水の酸化をつなげた全反応系においては、二種の電極を組み合わせたこれまでの知見を基に、二段階励起型の集積化を見据え、(2)酸化・還元反応の反応場がごく近接した環境での反応検討 を詳細に進める。
これらの検討を通じ、金属錯体－半導体ハイブリッド光触媒について、水を電子源とした系の詳細な設計指針と現状での課題をボトムアップ的に示すことを目指す。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた物品費等を、より安価なものに代替し節約することができたため。次年度は、本研究遂行のための物品費、あるいは成果公表のための学会参加費等の一部として使用していく予定である。
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