2017 Fiscal Year Research-status Report
Photoreduction of carbon dioxide using porous glass nanocavity under ambient condition
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17K18013
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
野地 智康 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 特任講師 (40452205)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / 多孔質 / ガラス / ギ酸 / デバイス / 嫌気 / 再生可能 / 光触媒 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽光を使い、水から水素、または、二酸化炭素を水素エネルギーキャリアとしてのギ酸に変換するデバイス開発は再生可能エネルギー社会の実現に必要である。還元型メチルビオローゲンにより還元されたギ酸脱水素酵素は選択的に二酸化炭素をギ酸に変換できるため、副生成物を生じさせない理想ナノ触媒の一つとして見なせる。本研究ではギ酸脱水素酵素を利用したデバイス開発を行うため、細孔径50 nm、厚さ1 mmの多孔質ガラス板の細孔内部に、光増感剤(Ru錯体)、電子伝達体(メチルビオローゲン)、ギ酸脱水素酵素を導入した。この反応系では、太陽光で励起された光増感剤が電子伝達体を介してギ酸脱水素酵素を還元する。デバイスの太陽光-ギ酸の変換効率は、溶液系の約14倍に相当した。細孔内部におけるギ酸濃度変化は、溶液系の値の83倍も速い事がわかった。効率改善の要因を追求するため、光増感剤から電子伝達体、電子伝達体から酵素へのそれぞれの電子伝達速度を測定した。その結果、電子伝達体から酵素への電子移動速度は22倍に向上していた。還元型メチルビオローゲンは酸素に電子を奪われるが、多孔質ガラス板の内部ではこの反応が起こりにくいことが効率改善の要因であると考えられた。ギ酸脱水素酵素のみならず酸素に阻害される他の反応系でも応用可能であると期待される基盤技術が構築された。
上記の技術を応用として、Ru錯体よりも高効率に太陽光を利用できる光合成に使われる光化学系Iを光増感剤、水素発生触媒を白金ナノ粒子として用いた新しいデバイス開発にも着手した。
上記の反応系において、光増感剤を還元するために犠牲試薬を使っている。犠牲試薬を使わないために、水から電子を引き抜く役割を担う光合成に使われる光化学系IIを多孔質ガラス板に導入し、太陽光で水から電子を引き抜くデバイス開発も行い、多孔質ガラス板の外に出てくる酸素の定量方法を確立した。
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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
太陽光で二酸化炭素をギ酸に変換する効率を、溶液系と比較して10倍以上も改善でき、順調に進展していると言える。反応素過程の反応速度を定量し、どの段階の反応が溶液系で律速であるかを明らかにし、多孔質ガラス板内部でその反応速度が改善されていることを明らかにできた。しかしながら、溶液系のみならず、多孔質ガラス板の内部で起きている酸素影響がわかっていない。本研究技術を発展させるために、定量的な理解が必要である。
水素発生系や、水から電子を引き抜く役目を担う多孔質ガラス板の開発に着手した。多孔質ガラス板の内部に固定された光化学系IIの光水分解反応の際に生じる酸素を検出する方法を開発できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
多孔質ガラス板内部に酸素濃度応答性色素分子を導入し、色素の発光強度が酸素濃度に応じて変化する性質を利用して、多孔質ガラス板内部に侵入する酸素流入速度を定量する。光増感剤として用いるRu錯体の励起状態の励起寿命も、酸素濃度に応じて変化するため、同様な手法で測定する。多孔質ガラス板の表面付近と中央付近で酸素濃度に変化があると考えられるため、時空間分解共焦点レーザー顕微鏡を使って、表面付近と中央付近、それぞれの光増感剤の励起状態の寿命を測定し、酸素が流入する速度を定量する。酸素の影響を受けやすい水素発生触媒への応用も試みる。
犠牲試薬から脱却するため、水から電子を引き抜く役目を担う多孔質ガラス板デバイスを発展させるため、多孔質ガラス板内部における光化学系IIの反応効率の定量、耐久性の評価方法などを開発する。
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| Causes of Carryover |
物品購入費に差が生じたのは、予定よりも上手く研究が進み、研究の応用範囲を拡大する方針に少し変えたため、購入予定の物品を再検討する事にした。また、他の研究者から譲って頂いた物品で代替可能となったものがあり、これも物品購入費に差が生じた理由である。次年度には、機能解明に必要な装置開発や物品の購入に支出する予定である。学会出張費は、財団の研究助成金や学内の競争的獲得資金から支払った。これらは科研費の申請後に採択が決まったため、次年度使用額が生じた。上記の理由により次年度使用額が生じたが、本来の研究計画に大きな変更はない。
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