2019 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。本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）VIII族金属ナノ粒子の光熱変換能力をさらに増強するために、熱放射をほぼ発生しない光吸収材との複合を通じ、弱い太陽光照射下でも触媒反応を引き起こせる高温を発生する光熱触媒材料を構築した。安価の遷移金属Niを単原子状態でアモルファスY2O3ナノシートに分散した上、選択的光吸収材AlNx/Al膜と複合させることで、標準太陽光の照射下で288℃に達し、従来の光熱変換より温度が3倍も向上した。この複合触媒材料を用いた太陽光駆動CO2メタン化反応では、90％の変換効率と100％のメタン選択性を実現した。さらに、屋外太陽光の照射下で実験を行ったところ、光熱触媒反応によるCO2のメタン化効率が80％を超え、実用化の可能性を示唆した。本研究はその新規性とインパクトが高く評価され、Nat.Commun.に掲載された。
２）Cu/ZnO触媒を用い、二酸化炭素からのメタノール合成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、従来の熱触媒反応に比べ、可視光照射下の活性化エネルギーが約40％減少し、メタノール合成活性が54％も向上したことが明らかとなった。その場フーリエ変換赤外分光法や、表面局在電磁場分布のシミュレーション等を駆使した研究から、光照射によってCuに生成したホットエレクトロンが速やかにZnOに移動し、その界面において反応中間体の活性化が促され、その結果メタノール合成が大幅に促進された。本研究は、二酸化炭素から液体燃料への合成におけるプラズモニックナノ触媒の有効性を初めて示した。なお、本研究成果は触媒分野の国際ジャーナルAppl. Catal. B: Environ.に掲載された。
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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
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）プラズモニックナノ金属触媒に選択的光吸収材を複合させることで、屋外太陽光照射下でも二酸化炭素のメタン化を実現した。
２）ホットキャリアが二酸化炭素のメタノール合成反応にも有効であることを見出し、さらにその反応活性化プロセスについても定量的に解析した。
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：前年度に引き続き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：引き続き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。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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