2020 Fiscal Year Research-status Report
太陽光を用いた水中での光酸化反応を可能とする新規半導体光触媒システムの構築
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20K15390
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
奥中 さゆり 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究員 (70849942)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 選択酸化反応 / 水素製造 / 有機合成 / ドープ系SrTiO3 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、再生可能エネルギーを利用したエネルギー変換技術の一つである半導体光触媒を用いた太陽光水素製造を発展させ、水素製造と同時に、酸化反応で高付加価値な化学品を合成する系の構築を目的としている。具体的には、異種金属種をドープすることで可視光応答化が実現可能なSrTiO3系光触媒に着目し、バンドギャップ内にドープ金属で形成される新たな準位により酸化力を制御することで、可視光照射下における選択的な酸化反応の実現を目指している。本研究の初年度となる令和2年度は、ベンジルアルコールおよびベンジルアミンを基質として用いた酸化反応をプロトタイプとし、種々の金属種をドーピングしたSrTiO3(SrTiO3:M)を用いた光酸化反応について、(1)種々のSrTiO3:Mの光酸化反応能の有無、および、ドープする金属元素種が反応選択性や活性へ与える影響、(2) 光触媒作製条件や各種反応条件が反応速度に与える影響について検証した。
(1)については、8種類の金属種(Rh, Ru, Ir, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu)をドーピングしたSrTiO3を用いた光酸化反応を検討し、SrTiO3に対してRhをドープした光触媒(SrTiO3:Rh)が最も高い光酸化活性を示すことを明らかにした。また、(2)については、用いるSrTiO3:Rh粉末において、助触媒種類や担持量、Rhのドープ量、SrTiO3:Rhの合成条件（合成法、焼成温度や時間）が光酸化反応活性に与える影響を検証した。特に担持する助触媒種類が光酸化活性に大きく影響を与え、水溶液中での反応においてはRuを、アセトニトリル中での反応においてはPdを担持した場合に最も活性が高くなることを明らかにした。また、溶液法で作製した微粒子が、固相法で作製した粗大粒子に比べて2倍程度高い酸化活性を示すことも明らかにした。
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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
研究計画において今年度検討予定として掲げている2つの研究目的①SrTiO3にドープする金属元素種と反応選択性・反応効率との相関明確化、②光酸化反応における反応速度に影響を与える因子解明については、ほぼ達成しており、各種金属をドープしたSrTiO3の光酸化におけるポテンシャルを明らかにすることができたと共に、その中でも特にSrTiO3:Rhが、可視光の照射でアルコール類の酸化のみならずアミン類の酸化にも有効であるという知見を得た。また、このSrTiO3:Rhは可視光応答型の水素生成光触媒として有名ではあり、従来は水素生成反応に限定されていたが、水素生成を伴う有機合成反応にも有効であることを明らかにしたのは着実な進展である。以上のことから、本研究計画の現在までの達成度は、おおむね順調に進展している、と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目となる令和3年度は、当初より掲げていた研究目的のうち、まだ検討を進めていない3つ目の研究目的である「SrTiO3:Mを用いた高難度な基質の酸化への拡張性検討」について、集中的に進める。また、初年度に見出した助触媒種類検討についても継続して行い、還元に有利な助触媒のみならず、酸化に有利な助触媒の共担持効果なども検証を進める。さらに、今後の高活性化および選択性向上に向け、反応メカニズムに関する検討も行う。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた備品購入については、HPLC用カラムや活性評価スクリーニング装置を購入予定であったが、HPLC用カラムはデモカラムを使用させていただいたこと、活性評価スクリーニング装置については今年度プロトタイプを構築し新たな装置の設計を終えた段階であり、いずれも購入を次年度へ持ち越した。また、外国出張および国内出張については、コロナウイルスの影響でオンライン開催あるいは開催中止となったため、当初の見込み額と執行額が大幅に異なった。さらに、TEM観察などの外注分析についても、次年度に持ち越したことで、次年度使用額が生じた。そのため、今年度は、消耗品（HPLC用カラム・活性評価スクリーニング装置）：800千円、国内旅費：30千円、その他（学会参加費、論文投稿等）：100千円を追加で使用させていただく予定である。
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Research Products
(1 results)
