2018 Fiscal Year Annual Research Report
Enhancement of Solar Water-Splitting Activity for Hydrogen Production
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17H03126
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
入江 寛 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (70334349)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 水素 / 水分解 / 赤色光 / 太陽光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代のエネルギー資源として注目されている水素を、恒久的に地球上に降り注ぐクリーンな太陽光エネルギーを利用して水（試薬を必要としない純水）を光触媒により完全分解して水素を製造すべく検討を行っている。平成30年度は、我々がすでに見出している全固体型二段階励起光触媒である銀接合型ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマス、もしくは金接合型ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマスの改良を行い、その水分解の活性向上を検討した。具体的には、
1. 接合および助触媒として用いる金粒子の微細化を行い、接合に関与する金の有効利用による接合効率向上、およびロジウム酸亜鉛上に担持された金の助触媒としての機能向上を通じて水分解の高活性化を達成した。
2. 銀接合型ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマスに対し、水素発生光触媒であるロジウム酸亜鉛上への選択的助触媒担持による活性向上を検討した。助触媒として白金、銀、銅を光析出法によりロジウム酸亜鉛上のみにそれら助触媒の析出量を変化させて担持した。助触媒の種類依存性、担持量依存性を評価し、最も活性が向上した銅1重量％担持において、水分解効率が4倍ほど向上した。
3. バナジン酸ビスマスに代わる酸素発生光触媒を探索し、バナジウム酸銀（Ag2V4O11）を用いてロジウム酸亜鉛と直接接合した系において波長850 nmの近赤外光により水の完全分解を達成した。
これらの研究を通じて、太陽光というクリーンな自然エネルギーを用いて水を完全分解し、クリーンエネルギーである水素を、実用化を視野に入れた高い効率で獲得きるようになり、環境・エネルギー問題の解決の一助となることができる。
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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
平成30年度の研究実施計画である1. 金接合型光触媒の金ナノ粒子化、2. 水素発生光触媒、酸素発生光触媒への選択的助触媒担持による活性向上、3. ロジウム酸亜鉛やバナジン酸ビスマスに代わる水素発生光触媒や酸素発生光触媒の探索と接合型光触媒の作製・水分解活性評価、の3項目に対し現在の進捗状況を以下に示す。
1. 接合および助触媒として用いる金粒子をイオン液体中への金スパッタ法によって行い、粒径2～3 nmの金ナノ粒子作製に成功した。この金ナノ粒子をロジウム酸亜鉛と混合し焼成することで担持、その後さらにバナジン酸ビスマスと混合、焼成することにより金接合型光触媒を合成した。ロジウム酸亜鉛上に担持された金の助触媒としての機能向上を通じて水分解の高活性化を達成した。一方で、全固体型二段階励起光触媒の作製プロセス中に金ナノ粒子の粒径増大が認められたため、作製プロセスの見直しによる金ナノ粒子の粒径維持という課題が明確となった。
2. 銀接合型ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマスに対し、水素発生光触媒であるロジウム酸亜鉛上への選択的助触媒担持による活性向上を検討した。ロジウム酸亜鉛、バナジン酸ビスマスのバンドギャップ差を利用して、光析出法によりロジウム酸亜鉛上のみに白金、銀、銅助触媒を担持した。また光析出時間を変化させることにより担持量を制御した。助触媒の種類依存性、担持量依存性を評価し、最も活性が向上した銅1重量％担持において、水分解効率が4倍向上した。
3. バナジン酸ビスマスに代わる酸素発生光触媒を探索し、2種のバナジウム酸銀を見出した。ロジウム酸亜鉛上でバナジウム酸銀（Ag2V4O11）を合成した直接接合系において波長850 nmの光により水の完全分解を達成した。これは可視光全域利用を超え、近赤外光をも利用できる世界初の成果である。
以上から、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度に引き続き、本年度も我々がすでに見出している銀接合型もしくは金接合型光触媒を改良、金のナノ粒子化、そしてロジウム酸亜鉛へ選択的に担持する助触媒の種類や担持量依存性を評価することによって目標値に近づけるように研究を進める。
(1) 金接合型光触媒の金粒子微細化（ナノ粒子化）
平成30年度は、導電層にイオン液体中への金スパッタによって自作した金ナノ粒子を用いた金接合型ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマスを作製し、赤色光を利用し純水の完全分解に成功した。担持過程で金ナノ粒子の粒径拡大が認められたため、本年度はナノ粒径を維持したままの担持方法の検討を行う。
(2) 水素発生光触媒、酸素発生光触媒への選択的助触媒担持による活性向上
平成30 年度は、銀接合型ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマスの水素発生光触媒であるロジウム酸亜鉛に、水素発生助触媒として白金、銀、銅を、光析出法を用いて選択的に担持した。ここでは、ロジウム酸亜鉛、バナジン酸ビスマスのバンドギャップがそれぞれ1.2 eV、1.7 eV であることを利用し、波長800 nm 以上の光を照射するとロジウム酸亜鉛上のみに助触媒が光析出可能であった。平成30年度の検討では銅を1重量%担持した場合に無担持よりも水分解活性が約4倍向上した。一方で、白金イオン、銀イオン、銅イオンとしての担持も含まれていたため、それらを完全な金属としての担持を目指す。また、白金、銀、銅以外の助触媒も検討し、最適な助触媒種および担持量を求める。また、酸素発生光触媒であるバナジン酸ビスマスにも選択的に酸素発生助触媒（コバルト・リンが有望）を担持し、更なる活性向上を目指す。こちらはロジウム酸亜鉛、バナジン酸ビスマスの酸化力の差を利用し、光照射によってリンを含む硝酸コバルトがバナジン酸ビスマス上でのみで酸化され、コバルトリンが析出することを利用する。
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