2021 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 |
全固体型の光電気化学システムおよび光触媒反応システムを用いて、水蒸気供給による水分解反応およびメタン変換反応の検討を進めた。光強度・水蒸気分圧・メタン分圧・反応温度などの反応条件が性能に及ぼす影響を調査した。
光電解反応のモデルとして、光触媒反応による水蒸気分解およびメタン転換反応についても検討を進めた。メタン転換反応では酸化ガリウム（Ga2O3）光触媒を中心に検討を進め、助触媒としての担持金属粒子の種類によって反応性が変化することを確認した。この光触媒反応に影響する活性種を調べることを目的として、ニトロン化合物をトラップ剤とするスピントラップ法を用いた電子スピン共鳴（ESR）で、ヒドロキシラジカルの発生量を測定した。ヒドロキシラジカルの発生量と光触媒反応の選択性に相間が見られたことから、ヒドロキシラジカルが活性種であり、助触媒によって反応活性種を制御できることがわかった。
半導体電極の開発においては、走査型電気化学セル顕微鏡（SECCM）を使用して酸化チタン（TiO2）ナノチューブ電極の局所的な光電気化学特性を調べた。光電流の高い領域と低い領域が存在する一方で、TiO2ナノチューブの上部と側面における局所的な光電流値に大きな差がないことがわかった。このことから、TiO2ナノチューブ光電極における電荷分離機構が直交型であることが実験的に示された。また、二酸化鉛粒子の光電気化学的な析出反応によっても、この電荷分離モデルの妥当性が裏付けられた。
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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
当初の計画通りにESRを用いたヒドロキシラジカルの定量分析を行った。Ga2O3光触媒を用いたメタン転換反応において、ヒドロキシラジカルの生成量が多い光触媒ほど、メタンのカップリング生成物であるエタンへの反応選択性が高くなることがわかった。Ga2O3粒子に担持された助触媒によって活性種の濃度が制御され、反応選択性が変化することが示された。順調に進展しているといえる。
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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開発を継続する。独自に開発した酸化タングステンや酸化鉄などの多孔性半導体電極の光電解反応特性を調べる。水蒸気存在下の光電解反応においては、水蒸気は反応物質であると同時に、電解質膜のイオン導電率を向上させる役割も果たしている。そこで、水蒸気分圧によって光電解反応の特性がどのように変化するか、電解質の導電率との相関を調べる。
水蒸気およびメタンの光電解反応において、半導体電極の種類によって生成物の選択性やアイオノマーの分解挙動が変化することがわかっている。そこで、活性種と示唆されるヒドロキシラジカルについて、スピントラップ法を用いたESR分析によって定量評価を行う。すでに光触媒反応においては成功しているが、これを光電解反応に適用する必要がある。光電気化学反応とESR分析を組み合わせた研究は前例がないため挑戦的な課題といえる。
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