2020 Fiscal Year Annual Research Report
Solar Ammonia Production from Water and Dinitrogen on Metal-Free Carbon NItride Photocatalysts
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19H02516
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
白石 康浩 大阪大学, 太陽エネルギー化学研究センター, 准教授 (70343259)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平井 隆之 大阪大学, 太陽エネルギー化学研究センター, 教授 (80208800)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光触媒 / アンモニア / 半導体 / 空中窒素固定 / 水 / 太陽エネルギー変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽光エネルギーにより、常温・常圧下、水と窒素ガス（N2）を原料としてアンモニア（NH3）を合成する光触媒を開発する。半導体へのN2の還元サイトおよび水の酸化サイトの導入により、太陽光照射下、高効率にアンモニアを合成する革新的光触媒を開発する。これらの研究を通して、持続可能エネルギー（太陽光）により、水とN2から水素キャリア（アンモニア）を合成する新プロセスの開発を目指すほか、太陽光エネルギーを化学エネルギー（アンモニア）として蓄積する新たな人工光合成反応の礎を築く。
2020年度は、表面酸素欠陥を有するビスマスオキシクロリド（BiOCl-OVs）の光触媒機能の解明を進めた。本触媒を塩化物イオンを含む酸性水溶液（塩水）に懸濁させてN2流通下で可視光を照射すると、表面酸素欠陥を活性点とするN2還元によりNH3が生成する。この際、溶液のpHは重要なファクターであり、強酸性条件（～pH 1）が高効率なN2還元に重要である。本触媒は骨格の塩化物イオンを酸化して次亜塩素酸（HClO）を生成する。脱離した骨格の塩化物イオンは、溶液中の塩化物イオンにより補われる。さらに、生成したHClOは光を吸収してO2と塩化物イオンを生成することにより、水を電子源としてN2の還元が進行する。しかし溶液のpHが高い場合、溶液中のHClO濃度が高くなることにより生成したNH3を酸化分解してしまう。このため、低pHにすることによりHClOの平衡をCl2側に寄せ、HClO濃度を低く保つことが高効率なNH3生成に重要であることを明らかにした。
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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
表面欠陥を有する半導体を光触媒として、N2還元によるNH3合成が可能である原理を見出している。還元サイトの形成とN2還元活性の関係に関する知見が蓄積されてきており、今後の研究課題を順調にクリアできる感触を得ている。それゆえ、区分②に該当すると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により、表面構造欠陥をN2還元活性点とする光触媒開発が可能であることを明らかにしてきている。今後は炭素を中心とした光触媒設計を進め、可視光を光源とするアンモニア合成光触媒の開発を進めていく。
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