2022 Fiscal Year Annual Research Report
Multielectron reduction of CO2 by light and monitoring of isotope-labelled species over alloy nanoparticle-ultrathin semiconductor hybrid surface
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20H02834
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
泉 康雄 千葉大学, 大学院理学研究院, 教授 (50251666)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小西 健久 千葉大学, 大学院理学研究院, 准教授 (40302525)
糸井 貴臣 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (50333670)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | CO2 / 光燃料化 / 光資源化 / 多電子還元 / 密度汎関数計算 / 酸化ジルコニウム / 協奏機構 / 同位体標識 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
酸化ジルコニウムとコバルト（Co-ZrO2）、および酸化ジルコニウムと銀およびニッケルとの合金（Ag-Ni-ZrO2）を光触媒として、CO2光燃料化およびCO2光資源化を試みた。光燃料化および光資源化による生成物の作り分けが、Co-ZrO2光触媒を用いると顕著だった。CO2光還元ではメタン・エタン・プロパンのオレフィン化合物のみが合わせて330 μmol/h/g(cat)で生成した。一方、CO光還元では、エチレン・プロピレンのパラフィン化合物が6．０ μmol/h/g(cat)で生成し、生成物全体の70 mol%を占めた。Ag-Ni-ZrO2では、H2ガス中前処理無しで金属状のNi(0)ナノ粒子およびCO2光還元でのメタン生成を実現した。
上記の理解のために、CO2光還元反応経路を実験および理論的に調べた。13CO2光交換反応および密度汎関数計算により、ZrO2表面にある酸素欠陥サイトがCO2の吸着サイトであり、また水およびH2からの水素化を受けたOCOH種のOC結合解離サイトであることが明らかになった。得られたCOH種は、ZrO2表面からニッケルおよびコバルトナノ粒子へとホップしてゆく。紫外可視光照射により、ニッケルは394 Kに、コバルトは362 Kに加温されていることがX線吸収分光の熱振動因子の解析により示された。ニッケル表面では、メチル種への多段階水素化が高速に進みメタンが得られたが、コバルト表面ではメチル種とメチレン種が混在し、C1-3パラフィンが得られた。
Co-ZrO2光触媒について、CO光還元の反応経路はCO2光還元の反応経路と重複せず、コバルト表面に吸着したCOは水素化を経て、ZrO2表面との界面、とりわけ酸素欠陥サイトと協奏してOH種とCH種に解離した。CH種からのCH2種がエチレン・プロピレンへの逐次反応的中間種として振る舞うことが明らかになった。
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| Research Progress Status |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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