2020 Fiscal Year Annual Research Report
Study on the photoelectrochemical process for the conversion of small molecules in the gas phase by controlling the active species
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20H02525
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| Research Institution | The University of Kitakyushu |
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Principal Investigator |
天野 史章 北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (10431347)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光電気化学 / 半導体電極 / 光触媒 / 水分解 / メタン変換 / 水素製造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、全固体型の光電気化学システムを用いて、水蒸気供給による水の光電解反応およびメタンの光電解反応を評価した。電極材料としては、紫外光応答型のチタン酸ストロンチウムの他に、可視光応答性のバナジン酸ビスマス（BiVO4）について検討した。酸素発生反応に有効とされる助触媒粒子の担持効果を検討し、水蒸気の光電解反応の性能や電極寿命を評価した。
BiVO4については、チタン繊維焼結体を導電性基材として多孔性の半導体電極を新たに開発した。簡易なディップコーティング法で合成し、酸化タングステン（WO3）との複合化、およびモリブデンのドープによって性能を向上させた。この多孔性電極を用いて膜電極接合体を調製し、イオノマーによる表面被覆によって青色（波長450 nm）の可視光照射下における水蒸気の光電解反応を達成した。酸性および中性雰囲気におけるWO3/BiVO4電極の劣化挙動についても調査した。
酸素発生反応に有効とされる酸化イリジウムによる修飾を検討したが、ほとんど効果がなかった。その一方で、チタン繊維焼結体にコーテイングした酸化イリジウム層が、電極触媒として高い酸素発生活性を示すことを確認した。また、調製時にポリエチレングリコールを添加することによって、電気化学活性面積が増大するとともに、触媒成分の溶出が抑制されることを見出した。
活性種として予想されるヒドロキシラジカルの評価については、電子スピン共鳴（ESR）の実験系を立ち上げ、スピントラップ法でヒドロキシラジカルを測定できることを確認した。光触媒粒子の懸濁水溶液を扁平セルに入れ、ESRキャビティ内で光を照射し、その場で生成したスピン付加体のESRシグナルを記録した。今後は、活性種制御のための知見を得ることを目的として、ヒドロキシラジカルの発生量と反応特性との相間を調べる実験を行う。
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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
当初の計画通りに可視光応答性のBiVO4について検討を進めることができた。助触媒粒子の担持については、期待していたような効果は得られなかったが、酸素発生反応のための電極触媒の開発につながった。ESRについても、その場でラジカルを生成させる光照射システムを構築することができた。全体的に順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
水蒸気供給による水の光電解反応およびメタンの光電解反応の研究開発を継続する。新しい多孔性半導体電極の開発も進める。
光電解反応では、活性（光電変換効率）、反応選択性、寿命の３つの指標について電極材料の特性を評価する。また、印加電圧・水蒸気分圧・メタン分圧・温度などの反応条件が性能に及ぼす影響を調査する。
活性種に関しては、ESRによるラジカル種の分析を行う。スピントラップ法を用いて定量したヒドロキシラジカルの生成量と反応特性との相関を調べることによって、反応活性種や電極の劣化機構について考察する。
また、光電解反応のモデルとして、水蒸気分解およびメタン転換の光触媒反応についても検討を進める。ヒドロキシラジカル（あるいはメチルラジカル）の生成量と反応選択性の相間を調べることで、光触媒系の反応機構を明らかとし、活性種制御のための理解を深める。光触媒反応で得られた知見は、光電解反応の理解に応用できる。
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