2018 Fiscal Year Research-status Report
複合量子ドット光触媒の合成とプロトンおよび二酸化炭素還元反応への応用
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18K04869
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute |
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Principal Investigator |
渡辺 洋人 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 事業化支援本部技術開発支援部先端材料開発セクター, 副主任研究員 (00500901)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
染川 正一 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 事業化支援本部技術開発支援部先端材料開発セクター, 主任研究員 (20520216)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 量子ドット / 多孔質材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新規光触媒系の開発の目的で、1 nm前後の細孔を有する多孔質シリカ(SMPS)内で合成される量子ドット光触媒に着目して研究を行った。量子ドットの場合、粒径を制御することで、還元・酸化反応に寄与する伝導体下端と価電子帯上端の準位を量子サイズ効果によりコントロールすることができる。一方で、粒径が極小(1 nm前後)であるために、励起電子-正孔対の空間的電荷分離が困難である点が、活性低下の一因として懸念されている。本研究では、プロトンや二酸化炭素などの還元反応系において高機能性を発揮する、複合量子ドット光触媒の開発を行った。
初年度は二酸化チタン-酸化タングステン複合量子ドットの系に着目して、プロトン還元活性を評価した。この系では、励起電子と正孔を異種の量子ドット上に局在させることで空間的電荷分離を達成させることを試みた。しかし、種々の複合体を合成し評価したところ、酸化タングステン単独のものよりも、複合体の活性が大幅に低下することが分かった。XAFS、Ramanスペクトルを用いて解析したところ、二酸化チタン量子ドットには、大きな歪がかかっており、活性の大幅な低下の一因となっていることが示唆された。
そこで、新たな還元触媒として酸化ビスマスに着目し、量子ドットの作成と評価を試みた。酸化ビスマス量子ドットでは、量子サイズ効果により還元反応に寄与する伝導体下端準位が主に上昇することが分かった。この光触媒を用いて二酸化炭素の還元反応を行ったところ、一酸化炭素が選択的に生成し、水素やホルムアルデヒドなどの生成物はほとんど確認されなかった。次に、酸化ビスマス量子ドットと銀ドットとの複合体を合成し、還元反応サイトを銀表面に移したところ、一酸化炭素に加え、ホルムアルデヒドの副生成が確認された。このことは、選択的還元反応の要因に、酸化ビスマス量子ドットの表面の特異性が寄与することを示唆している。
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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
二酸化チタン-酸化タングステン複合量子ドットの合成技術の構築、新たな金属酸化物量子ドットの探索、光触媒評価系の構築など、初年度の目標はおおむね達成できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
二酸化チタン-酸化タングステン複合量子ドットでは大幅に活性が低下した。このことは、二酸化チタン量子ドットが低活性であることを示す一方で、複合体形成には成功していることを示している。このように、初年度では、複合体形成により、光触媒活性が大幅に変化することを明らかにした。また、酸化ビスマス量子ドットで起こる特異な選択的還元反応も見出した。次年度では、酸化タングステン量子ドットを酸化側触媒に固定し、種々の金属酸化物量子ドットとの複合化を試みる。加えて、鋳型・担持体となる多孔質シリカにも、ナノ粒子化による活性向上や、反対に光の散乱による活性低下などの知見が得られ、改善の余地があることが示唆された。この点においても次年度の目標とする。
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| Causes of Carryover |
光触媒評価系の構築のための装置が、一部既存の装置で流用できたため。また、初年度は二酸化チタンの研究が主であったため、試薬にかかる費用がなかった。次年度は多種の金属酸化物に関して合成を行うため、その研究で使用する。
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