2022 Fiscal Year Research-status Report
Solar Saltwater Splitting for Hydrogen Production
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21K18212
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
入江 寛 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (70334349)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2027-03-31
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| Keywords | 水素製造 / 鹹水分解 / 太陽光 / 赤色光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代のエネルギー資源として注目されている水素を、恒久的に地球上に降り注ぐクリーンな太陽光エネルギーを利用して鹹水から製造すべく検討を行っている。地球上に存在するほとんどの水は海水であり、さらに太陽光が強い地域での水の確保は困難であるため、鹹水（代表例は海水、塩化物イオンを含む水）の使用が不可欠と考えられる。そこで本研究では、太陽光の有効利用の観点から可視光全域を利用できる光触媒を用い、かつ海水利用を想定した塩化物イオン共存下で水を完全分解することによって水素、酸素を量論比で発生させ、エネルギーとして水素を獲得できる技術の検討を行った。具体的には、塩化物イオン共存下での水分解では塩化物イオンと水の酸化反応が競争反応となるため、塩化物イオンでなく選択的に水を酸化し酸素を発生させる助触媒の探索、創出を試みた。
令和4年度は、令和3年度見出した塩化ナトリウム（ナトリウムイオン、塩化物イオン）の影響を受けない酸化ルテニウム酸素発生助触媒を用いて酸化ルテニウム担持酸化ビスマス（RuO2/BiVO4）を作製し、犠牲剤（ヨウ素酸イオン）存在下で、塩化物イオンの有無によらず水の半反応による酸素発生量が不変であることを確認した。この酸化ルテニウム担持バナジン酸ビスマスを用いて、当研究室ですでに見出していた水を完全分解できる金担持ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマス（Au/ZnRh2O4/Au/BiVO4）を改良したAu/ZnRh2O4/Au/BiVO4/RuO2を作製して疑似海水の分解を行った。
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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
令和4年度は、令和3年度見出した塩化ナトリウム（ナトリウムイオン、塩化物イオン）の影響を受けない酸化ルテニウム酸素発生助触媒を用いて酸化ルテニウム担持酸化ビスマス（RuO2/BiVO4）を作製し、犠牲剤（ヨウ素酸イオン）存在下で、塩化ナトリウムの有無によらず水の半反応による酸素（O2）発生量が不変であることを確認した。この酸化ルテニウム担持バナジン酸ビスマス（RuO2/BiVO4）を用いて、当研究室ですでに見出していた水を完全分解できる金担持ロジウム酸亜鉛／バナジン酸ビスマス（Au/ZnRh2O4/Au/BiVO4）を改良したAu/ZnRh2O4/Au/BiVO4/RuO2を作製して疑似海水の分解を行った。Au/ZnRh2O4/Au/BiVO4/RuO2では水の完全分解（水素（H2）、O2の両論発生）が認められたが、疑似海水（塩化ナトリウム3 wt%溶液）では完全分解ができなかった。そこで、助触媒Auの被毒も考慮する必要があると考え、Auそして新たにZnRh2O4上に選択的に担持した白金（Pt）を酸化クロム（CrOx, CrOx/Pt,Au/ZnRh2O4）で被覆した。犠牲剤（ホルムアルデヒド）存在下で、塩化ナトリウムの有無によらず水の半反応によるH2発生量が不変であることを確認した。今後、CrOx/Pt,Au/ZnRh2O4/Au/BiVO4/RuO2の疑似海水での分解実験を行う。以上からおおむね順調に進展していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度見出した塩化ナトリウム（NaCl）存在下でもプロトンを還元し水素を発生できるCrOx/Pt,Au/ZnRh2O4と、NaClの存在下で水を選択的に酸化できるRuO2/BiVO4を複合化したCrOx/Pt,Au/ZnRh2O4/Au/BiVO4/RuO2の疑似海水での分解実験を行う。また、RuO2がNaCl存在下でも水を選択的に酸化できる理由を第一原理計算の手法を用いて解明すべく検討を始める。さらに、これら塩化ナトリウムに影響を受けないと考えられるCrOx/Pt, RuO2を他の光触媒に展開する。例えばチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）に展開すれば（CrOx/Pt/SrTiO3/RuO2）、紫外光のもとではあるが疑似海水を分解できると想定され、CrOx/Pt, RuO2の普遍性を示すことができる。さらには、BiVO4はバンドギャップ2.4 eV、ZnRh2O4は1.2 eVであるため、BiVO4の光吸収波長に利用波長が制限され、波長515 nmしか応答しない。もうひとつのバナジン酸ビスマスBi4V2O11のバンドギャップは1.7 eVであるため、波長740 nmまで利用可能である。Bi4V2O11にもRuO2を担持し、波長利用の拡大を図りつつ、鹹水の完全分解を目指す。
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