2017 Fiscal Year Annual Research Report
光触媒と合金触媒を正負極とした二酸化炭素の光電気化学還元システムの構築
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17J08863
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
吉川 聡一 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 合金触媒 / 孤立白金種 / 赤外分光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者は，本研究課題の通り，『高効率な光電変換特性を示す光アノード電極』，及び『低い印加過電圧でCO2をCOへと還元するカソード電極』を組み合わせたCO2の光電気化学還元システムの構築を目指している．採用第一年度は，孤立Pt種を含むNi-Pt合金の電子的性質・幾何的性質の変化について，その反応性の観点から検討を行った．周囲を異種元素で配位した孤立種は，周囲の元素からの電子的，幾何学的な影響を強く受け，単独金属にない特異な触媒活性を示すことが期待される．CO2の水素化をテスト反応に用い，孤立Pt種を有するNi-Pt合金の触媒活性を検討した．微量のPtを含有するNi-Pt/Al2O3を1173 Kの高温で水素還元し，均質なNi-Pt合金粒子を得た．Ptの周囲にNiのみが配位していることをX線吸収分光から確認した．Ni/Al2O3ではCH4が，Pt/Al2O3ではCOが主たる生成物である．孤立Ptを有するNi-Pt合金は，Ni/Al2O3に比べ高いCH4生成活性を示す．さらに赤外分光法を用い，CO2の水素化中に生じる吸着種のH2雰囲気下における変化を追跡した．その結果，直線型のCO種が架橋型を経てCH4へと水素化される反応経路が示唆された．Ni/Al2O3でも同様の傾向が見られる一方で，Pt/Al2O3では架橋型のCO種の変化は見られず，直線型の吸着CO種がそのままCOとして脱離していると考えられる．これは，Ptからの逆供与が強まったことでCOが脱離しにくくなり，Ni上のCOと同様にCH4への水素化が進行しやすくなったと考えている．以上のように，周囲をNiで配位された孤立Pt種の特異な反応性を明らかにした．
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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
計画書に沿った進行を行っている．本課題が志向する二酸化炭素を選択的に還元するカソード電極の開発には，活性点の吸着特性や幾何学構造の制御が重要であり，単一の金属種ではなく合金触媒が本反応系において有用であると考えられる．本年度の検討から，孤立Pt種を含むNi-Pt合金が示す特異な電子的性質・幾何的性質の変化に関する知見を得ている．次年度における，電極触媒材料に合金触媒を用いた二酸化炭素の還元カソードの開発の進展が期待される．
以上のことから，現在までの進捗状況は，おおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の検討から，合金化によって周囲の他元素から受ける電子的性質・幾何的性質の変化が，反応中間体の吸着安定性に与える影響に関する知見を得た．これらを踏まえ，電極触媒材料に合金触媒を用い，二酸化炭素の還元カソードの開発を検討する．種々の手法により合金を担持した試料を作製し，三極式の電気化学セルを用いて還元活性を評価する．電解液中に二酸化炭素を流通し，定電圧電気分解による生成物を液体クロマトグラフィー及びガスクロマトグラフィーを用いて定量する．これらの結果と合わせ，電気化学測定，赤外分光法，X線吸収分光法を用いて各触媒のキャラクタリゼーションを行い，合金の表面構造及び電子状態と生成物の活性，選択性との相関に関する知見を獲得する．
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