2021 Fiscal Year Annual Research Report
二重加速効果を付与した銅プラズモニック光触媒の創製と近赤外物質変換反応
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20J22342
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
不動 愛理 近畿大学, 総合理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズモニック光触媒 / 水分解 / 金属ナノ粒子 / 可視光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究課題の中で重要なキーワードとなるプラズモニック光触媒の機能化と反応性の制御に着目して研究を進めた．
これまでの研究によって金修飾酸化チタン上に少量のクロム水酸化物薄層を修飾することによって金プラズモニック光触媒の酸化反応が加速されることを見いだしている．この触媒を水分解に用いるために，白金助触媒を導入することを試み，金および白金を修飾した酸化チタン表面にクロム水酸化物の薄層を形成する触媒設計をした．この系においてクロム水酸化物薄層は，金上で「正孔移動」の助触媒として，白金上で「逆反応の抑制」のための薄層として機能すること，つまり１粒子上で２つの異なる機能を発揮することを期待している．調製した触媒を用いて可視光下における水分解を検討したところ，水素と酸素が量論的に生成することがわかった．
また，析出沈殿法で調製した金修飾酸化チタンを酸素または水素ガス流通下において，様々な温度で熱処理したところ，酸素下で処理した触媒が水素下で処理したものよりも高い水の酸化活性を示す傾向があることを見いだした．X線光電子分光による分析から，酸素下で処理した触媒の金ナノ粒子表面に薄い酸化物層が存在することが確認された．酸化物層を有する触媒を水素ガスによって還元処理することで水の酸化反応速度が小さくなったことから，金ナノ粒子表面に酸化物層が存在することによって水の酸化反応が加速されていることを明らかにした．
金ナノ粒子上に適切な酸化物薄層を形成することによってプラズモニック光触媒の酸化反応活性が向上すること，また，助触媒の導入とその反応性の制御によって光触媒活性が向上することが明らかになった．
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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
金および白金を修飾した酸化チタン表面にクロム水酸化物の薄層を形成させた触媒を調製し，可視光下における水分解反応に用いた．この時の水分解活性は，金修飾酸化チタンの約８倍となり，クロム水酸化物薄層の多機能化の達成とともにプラズモニック光触媒の高機能化を達成した．各種学会にて，これら成果について報告した．また，金の酸化物薄層による水の酸化活性の向上についても，同様に学会発表にて成果を発表している．近年では助触媒の修飾等によって触媒を高機能化させる研究が数多く行われているのに対して，この研究は，処理ガスを変えるという単純かつ簡便な方法でプラズモニック光触媒の高機能化を達成した例として位置付けされるものと考えている．以上の結果は研究課題の中で重要となる，「プラズモニック光触媒の機能化と反応性の制御」に対する重要な知見となるといえるため，期待通り研究が進展したと判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
申請書に記載したように，今年度は銅ナノ粒子をコア粒子に用いたプラズモニック光触媒の設計と機能化を行う．コアー遷移金属種シェル構造を有する光触媒材料の調製と，金属酸化物（酸化チタンや酸化タンタル）ナノバーの合成を行う．その後電子顕微鏡などの分光学的首相を用いた触媒のキャラクタリゼーションに着手する予定である．また，遷移金属種シェル材料の探索を行い，銅ナノ粒子の安定駆動が可能になれば，可視・赤外光照射下においてアルコールからの水素生成反応を検討する．金属酸化物ナノバーの合成については，溶媒や加熱時間などの合成条件を検討する．
その後，金属酸化物ナノバーへ銅コア―遷移金属種シェルナノ粒子を修飾し，光触媒反応（水素生成や物質変換反応）を検討する．さらに，単色光照射下におけるアクションスペクトル測定と電気化学的手法を用いた測定から反応メカニズムの解明を試みる．
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