2021 Fiscal Year Annual Research Report
CO2光還元に活性を示すAgナノ粒子修飾光触媒材料の構造解析および反応機構解析
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21H01716
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
寺村 謙太郎 京都大学, 工学研究科, 教授 (80401131)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | Agナノ粒子 / 光触媒 / CO2光還元 / 光電析法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに我々が提案している酸化物（光触媒）と金属（Agナノ粒子）の協奏効果によるH2Oを電子源とするCO2光還元の反応機構を証明するにあたって，①一連の光触媒群の保有，②Agナノ粒子の合成・修飾手法の確立，③各種解析手法の検討を計画した．2021年度においては①と②について重点的に検討を行い，粒径や形状の異なるAgナノ粒子を各種の光触媒に修飾させて，活性および選択性の変化に関するデータを得た．一般的に金属ナノ粒子を光触媒粉末に修飾する場合，高温で処理する必要があり，「金属ナノ粒子の凝集・変形」と「保護剤由来の炭素残渣」が問題になることが多い．2021年度においてはあらかじめ合成したAgナノ粒子を光触媒粒子に修飾させるといった方法は採用せず，光触媒粒子を金属前駆体水溶液に分散させて，Agナノ粒子を光電析させることによって，各種保護剤を使わずにAgナノ粒子を光触媒上に修飾した．このような光電析法は修飾条件の制御が比較的容易であるため，pHの影響及び犠牲剤であるメタノールの有無の効果を調べた．pH調節を行わず光電析をした場合はpHはほぼ7.0付近であり，CO生成への選択率が58％程度であった．また，pHを4.0に調整して光電析を行うと，活性はほとんど示さなかった．一方で，pHを10に調整して光電析を行うと，H2生成速度が抑制され，CO生成速度が2.9倍に増加した．その結果，COへの選択率が95.7%に向上した．さらに，pHを11.5に調整して光電析を行うと，COへの選択性は維持したまま，CO生成速度が大幅に低下した．犠牲剤としてメタノールを加えた場合は，加えなかった場合に比べ，いずれもより高いCO生成速度とCOへの選択率を示した．中でも，Agに対して5, 10等量のメタノールを加えると90％以上のCOへの選択性を維持したままCO生成速度が3.5倍に向上した．
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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
申請書においては2021年度の研究計画として「光および超音波を用いたAgナノ粒子形成および修飾法の改良を行い，Agナノ粒子の粒径や形状と活性・選択性の関係を明らかにする」としており，実際に光電析法について各種の合成条件（pHや犠牲材）を検討することによって金属ナノ粒子の粒径や形状を制御することができることを明らかにした．また，2022年度行う予定をしている全反射吸収法（Attenuated Total Reflection Infrared (ATR-IR) Spectroscopy）にもすでに着手しているため，おおむね順調に研究は進捗しているとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度における研究計画として前年度に引き続き，Agナノ粒子の合成および光触媒粉末への修飾手法の確立について検討を進める予定をしている．さらに，活性点の自在合成に向けた理論的な知見を得るために，これまで得られているAgナノ粒子修飾光触媒材料の特性評価（申請書中：「③各種解析手法の検討」）を進める予定である．我々が検討しているH2Oを電子源とするCO2光還元はCO2（気相），H2O（液相），光触媒（固相）の3相界面で反応が進行すると考えられる．このような3相界面における特性評価はほとんど行われていない．2022年度においては，3相界面における触媒反応にアプローチするために，全反射吸収法（Attenuated Total Reflection Infrared (ATR-IR) Spectroscopy）を用いたOperando計測に展開していく予定である．
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