2021 Fiscal Year Annual Research Report
金属錯体－半導体ハイブリッド光電極による金属錯体CO2還元触媒の反応機構解明
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19K05516
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| Research Institution | Toyota Central R&D Lab., Inc. |
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Principal Investigator |
関澤 佳太 株式会社豊田中央研究所, 元素還元研究領域, なし (00783458)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | CO2還元 / 反応機構 / 金属錯体-半導体ハイブリッド光電極 / 光電気化学 / 理論計算 / Ru錯体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球温暖化や将来的なエネルギー・炭素資源の枯渇といった問題の解決に向けて、CO2を化成品や燃料の原料に再資源化する人工光合成は有望な技術である。これまでに、CO2変換生成物としてCOおよびギ酸を生成する人工光合成システムが報告されている。COとギ酸はともに付加価値が高く、多様な応用が可能な化合物である。しかし、これら両者を作り分ける因子が明らかになっていないことが、人工光合成研究の課題の一つであった。本研究では、単分子的な触媒として作用するため中間体構造の推定が行いやすい金属錯体触媒に焦点を当てた。金属錯体触媒と半導体光電極を組み合わせた金属錯体-半導体ハイブリッド光電極を用いた光電気化学反応による実験と、計算化学による理論の両面のアプローチにより、CO2から各生成物が得られるまでの反応機構の解明を試みた。
過去２年間の研究では、Ru錯体触媒をp型半導体の表面に担持した光電極の、種々の条件での光電気化学測定の結果から、COおよびHCOOH生成の反応機構モデルを考案した。この反応機構モデルにおいて想定される反応中間体の候補について、密度汎関数法による構造最適化および振動解析計算を行った。この方法により、室温で進行し得る妥当な自由エネルギー変化で、COおよびHCOOHが生成し、かつ実験結果のCO/HCOOH生成比を説明できる反応機構を導出した。
最終年度では、COとHCOOH生成の反応機構モデルを精査し、理論計算の再検討を行った。その結果、CO2還元反応が、H2の副生に対して優先に進行することを説明できる新しい反応機構を見出すことができた。現在、これらの内容をまとめた論文を学術雑誌へ投稿する準備を進めている。今後、得られた機構に基づき新規触媒の分子構造を設計し、高効率かつ高選択的にCOまたはHCOOHを合成する人工光合成システムの開発につなげていく予定である。
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