2021 Fiscal Year Annual Research Report
Production of value-added chemicals using boron-doped diamond photocatalyst with strong reduction ability
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21H02025
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
中田 一弥 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (70514115)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ダイヤモンド / 光触媒 / 不活性分子の還元 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
負の電子親和力を示すホウ素ドープダイヤモンド（BDD）は、光吸収によって高エネルギー電子を放出することが知られている。本研究では、溶液中においてBDDに光照射をした際に放出される高エネルギー電子に関する学理を構築するとともに、高エネルギー電子の強力な還元力を利用した新反応開拓と有用物質生成を行うことを目的とする。具体的には、BDDから生成した高エネルギー電子が引き起こす還元反応のメカニズム解明を行うとともに、常温・常圧で有用物質を高効率・高選択的に生成することを最終目標とする。本研究によって、様々な反応基質を極めて穏やかな条件下で有用物質へと変換する新しい反応系の確立が期待できる。
2021年度は研究をスタートするために，BDD光触媒の合成を行うマイクロ波プラズマCVD装置の立ち上げを行った．具体的にはBDDのソースとなる炭素系溶媒やホウ素試薬の選出，マイクロ波の出力，ガス流量，気圧，基板温度などの合成条件の最適化を行った．また光触媒微粒子を用いた窒素系化合物の還元を行うための実験系の確立を行った．具体的には，光源の選定と購入（特注），窒素ガスの導入や光照射を行うことができる反応セルの選定とセットアップを進めた．さらに，窒素系化合物の還元により生成する生成物の同定を行うために，イオンクロマトグラフの立ち上げ，およびインドフェノールブルー法などの確立を行った．
なお，ダイヤモンド微粒子を光触媒として用いる研究例については書籍として出版した．
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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
2021年度はBDD光触媒が生み出す高エネルギー電子に基づく特異的な化学反応のメカニズム解明を行い学理を構築するために、ダイヤモンド微粒子を用いた窒素分子の還元反応について検討を行った．具体的にはダイヤモンド微粒子を水中に分散させ，窒素ガスをバブリングしながら短波長の光照射を行った．反応後，生成物の同定のために，得られた懸濁液を濾過し，ろ液をイオンクロマトグラフィーにより定性・定量分析を行った．その結果，アンモニウムイオンが検出され，窒素分子からアンモニウムイオンが生成したことが示唆された．これはダイヤモンド微粒子が生み出した高エネルギー電子により窒素分子が直接，あるいは間接的に還元された結果と考察した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はBDDの構造因子（ホウ素ドープ量、sp2不純物炭素量、結晶粒界、欠陥、終端分子、界面化学状態等）や溶液系（溶媒、pH等）が特異的化学反応にどのように影響を与えるかを明らかにする。そのため、諸種のBDDを作製し溶液中でのCO2還元を実施する。具体的にはホウ素ドープ量の異なるBDD（0.01%～1%）を作製する。ドープ率はグロー放電発光分析法、二次イオン質量分析法にて確認する。また、ドープ率が変化すると導電率、結晶サイズや界面分布が変化するため、導電率計や走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡にてそれらを確認する。また、sp3炭素とsp2炭素の割合が異なるBDDを作製する。割合はBDD作製時の炭素と水素量によって制御できる。炭素種の割合はラマン分光法により確認する。また、BDD表面の終端分子を修飾する。水素終端のBDD表面はC-H結合からなり、H原子に部分電荷（δ+）が存在するため電子の放出を安定化させると推測される。そこで、諸種の終端分子を修飾し影響を調べる。具体的には溶液中で正電荷をもつアミノ基（-NH2）やその類縁体（-NR2）、コントロールとして負電荷をもつ水酸基（-OH）やその類縁体（-OR）、およびアルキル基（-CR3）等を検討する。
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Research Products
(1 results)
