2018 Fiscal Year Annual Research Report
Research and development of novel plasmonic nanocatalyst for CO2 conversion
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18H02065
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
葉 金花 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (90230630)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長尾 忠昭 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (40267456)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 金属触媒 / 表面プラズモン共鳴 / 太陽光利用 / 二酸化炭素の活性化 / 二酸化炭素の資源化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は二酸化炭素の資源化に向けた耐熱合金プラズモニックナノ触媒の創成を目的としている。この目的を達成するために、新規金属・合金プラズモニックナノ触媒の設計・創製を行うと共に、プラズモン共鳴が関わる二酸化炭素の活性化・燃料化におけるメカニズムの究明を行っている。H30年度は当初の研究計画に沿って鋭意研究を行ったところ、以下の重要な成果が得られた：
１）プラズモニックナノ金属による触媒反応におけるサポーターの影響を研究するため、極性を有する窒化タンタル（TaN）を初めてサポーターに用いた。その結果、TaN にVIII族金属を担持した場合、光誘起熱駆動CRM反応の活性が可視光照射によって2.3-2.7倍向上することが判明した。また、有機化合物の分解反応においてもTaN サポーターの優位性を確認した。実験研究および理論計算から、TaNの極性が光励起電子-正孔の分離を促進し、結果的に光誘起触媒反応の活性向上に寄与したと考えられる。本研究は高効率光誘起触媒の設計に重要な指針を提供した。本研究成果は化学分野のトップジャーナルに掲載された（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16781-16784）
２）TiO2担持Rhナノ触媒を用い、水蒸気メタン改質反応をプローブ反応としてホットキャリア誘起分子活性化について詳細に研究したところ、熱触媒反応に比べ、可視光照射下の活性化エネルギーが約50％も減少することが明らかとなった。フェムト秒時間分解赤外分光測定および密度汎関数理論計算から、Rh-TiO2界面でホットキャリアが超高速的に分離し、その結果、界面に電子欠乏状態のRhδ+が形成され、それによって、C-H結合の活性化が促されたことが明らかとなった。本研究成果は触媒分野のトップジャーナルに掲載された（ACS Catal. 2018, 8, 7556-7565）。
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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
これまでに新規金属・合金プラズモニックナノ触媒の設計・創製、表面・界面構造制御、および二酸化炭素の活性化・燃料化におけるメカニズムに関する研究を行ってきたところ、すでに多くの成果をあげることができた。特に以下の点において極めて重要な知見を得た：
１）サポーターの極性が触媒反応を促進することを見出した
２）ホットキャリアによる小分子活性化エネルギーの低減を定量的に解析した
これらの成果はCO2等小分子の低温活性化、燃料化の実現に極めて重要な知見であり、よって本研究課題の進捗は順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に沿って研究を推進していく予定である。具体的には以下の３つの研究項目に分けて研究を進める：
１）新規耐熱合金プラズモニックナノ触媒の創製：前年度に引き続き元素戦略の観点から、IB族の貨幣金属に限らず、より広範な種類の遷移金属を含めた新たな金属・合金を探索し、高いプラズモン共鳴効果および触媒反応効果を併せ持つ耐熱性ナノメタルを設計・創製する。金属（合金）ナノ粒子のサイズ・形態・分布等を制御した合成を行い、多角分光計測等による物性計測と時間領域差分法(FDTD)、厳密結合波理論(RCWA)を併用し、プラズモン共鳴によるナノ粒子の表面温度やホットキャリアの強度、表面局在電磁場分布について評価を行う。
２）表・界面構造制御によるプラズモン共鳴の増強：半導体材料を中心にナノ金属を担持する担体の組成＆形態の制御を行うことにより、担体の構造的・物理化学的特性が二酸化炭素等反応分子の吸着・活性化への影響について系統的に研究し、SPR効果を最大限に引き出せる新規ナノ構造体触媒の設計・制御を行う。
３）プラズモン共鳴による二酸化炭素の活性化メカニズム究明：その場フーリエ変換赤外分光光度計や電子スピン共鳴などを駆使し、二酸化炭素の活性化・資源化における詳細なメカニズムを研究する。具体的には光照射に伴う二酸化炭素の吸着状態や反応中間物の変化、また変換効率および生成物の選択性における照射波長の依存性やナノ金属のプラズモン共鳴との相関について調べる。また、金属の組成・形態等がモデル反応の活性化エネルギーに及ぼす影響についても定量的に調べる。
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