2019 Fiscal Year Research-status Report
グラファイト状窒化炭素とπ電子共役系有機分子触媒による可視光水素発生光触媒の開発
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19K05072
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
佐野 泰三 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ長 (30357165)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 水素発生 / 有機分子触媒 / 窒化炭素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
g-C3N4上に担持して水素発生触媒として効率的に作用する有機分子触媒の分子構造を明らかにするために、各種の有機分子をg-C3N4に担持し、分子構造と光触媒的水素発生速度との関連を解析した。π電子共役系の有無・長さ、置換基の電子吸引性、立体障害、ヘテロ原子の置換、水への溶解度などを考慮して担持する有機分子を選定した。
水素発生活性の確認された有機分子は、アントラセン、ステアリン酸、1-ナフトール、メラミン、安息香酸、2,2'-ビピリジルなどで、活性が全く見られなかった分子としてアスコルビン酸、3,5-ジヒドロキシ安息香酸が挙げられる。活性を示した分子の多くは溶解度の低い分子であり、また、疎水基と親水基の両方を有した。溶解度が高いと水素発生中にg-C3N4から脱離するため、水素発生触媒として作用するには低い溶解度が必要と推察される。また、親水基はg-C3N4に担持する際に必要と推察される。ステアリン酸のような飽和脂肪酸でも効果があったことから、π電子系は必ずしも必要ではない可能性があり、π電子相互作用以外の観点からの水素発生メカニズムの検討も必要である。
担持方法について検討したところ、水に分散した有機分子結晶をg-C3N4とともに乳鉢で摺る方法が比較的高い水素発生速度を与えた。攪拌子で混合するだけの場合や、有機溶媒に溶解した分子を担持する方法では、水素発生を確認できなかった。g-C3N4の層間を剥離するためのせん断力が必要と推察される。水素発生活性を示す有機分子には両親媒性の分子が多かったことも、層間剥離と水素発生活性に関係があることを示唆した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
観測される水素発生速度の再現性が低く、担持量や詳細な分子の特徴と水素発生速度の関係を明らかにできてない。再現性を高めるために、水素発生実験装置を改良し、担持方法の改良も試みたが、いまだ十分ではない。g-C3N4そのものの活性に大きなばらつきがあることが分かってきたので、その原因を分析している。本研究課題としては遅れの原因だが、g-C3N4の理解を深める上では重要であり、学術的な成果になると期待している。
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| Strategy for Future Research Activity |
g-C3N4の活性のばらつきの原因を探りつつ、有機分子触媒を担持したg-C3N4のキャラクタリゼーションを進める。電子顕微鏡（元素マッピングの可能なもの）、拡散反射FT-IR、ラマン分光法、レーザー脱離イオン化質量分析法などにより、有機分子触媒の結合状態を解析する。有機分子触媒の担持に伴うグラファイト状窒化炭素の層状構造の変化をX線回折で、活性種生成能の変化をESRで解析する。g-C3N4の電子構造および光吸収特性に有機分子触媒が与える影響は、蛍光寿命測定、可視紫外（UV-Vis）拡散反射分光法、X線光電子分光法(XPS)により解析する。また、光触媒電極を作製し、水素発生反応の酸化還元電位測定を行う。構造決定が困難な場合には、炭素と窒素以外の元素を含む類似構造の分子をトレーサーとして 利用し、構造決定を試みる。
以上の解析を通して有機分子触媒を担持したg-C3N4の結晶構造、電子構造を明らかにし、構造と水素発生速度の相関を解析することで、水素発生機構を解明する。特に、π電子共役系の相互作用の有無、それによる酸化還元電位の変化、プロトン還元の活性点を理解することに注力する。
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| Causes of Carryover |
電子顕微鏡観察をするサンプル数が予定より少なかったこととと、3月の学会に出席しなかったことで次年度使用額が生じた。次年度の観察サンプル数を増やすとともに、学会発表を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てることとしたい。
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