2022 Fiscal Year Research-status Report
Innovative and efficient materials conversion by bio-inorganic photocatalyst
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21K18213
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
石原 達己 九州大学, 工学研究院, 教授 (80184555)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Song Juntae 九州大学, 工学研究院, 助教 (10865348)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 光触媒 / バイオ触媒 / 物質変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では大きく①無機光触媒の高性能化、高効率化、②バイオ光触媒の高活性化と新しい反応を生じることが可能な酵素系の探索、③MVの側鎖やπ電子系の延長による最適の酸化還元対の探索、④光電気化学セルへの展開という課題で構成される。本年度は①可視光の利用を目的に種々の色素による修飾効果を検討した。その結果、Eosin Yで修飾したTiO2は620nmにEosin Y に特徴的な吸収を有しており、可視光での励起によりMVを還元できることを明らかにした。そこで、遺伝子組み換えした大腸菌と組みあわせ、水の分解を検討したところ、620nmの入射光に対して量子収率4.4%を示し、太陽光エネルギー変換効率2.5%を安定に示すことを見出した。②遺伝子組み換え型の大腸菌における水の分解における水素の生成速度に及ぼす共存ガスの効果を検討した。その結果、CO2を共存させると明らかにH2の生成速度が向上できることを見出した。この理由を検討しているが、遺伝子組み換えによりヒドロゲナーゼを発現した大腸菌の水素生成速度が向上できるためであることを見出した。一方、新しい酵素系の探索ではメタンモノオキシナーゼに着目し、育成を行った。その結果、CH4, O2中で育成したメタンモノオキシナーゼはアルコールを生成できることを示した。生成速度は、まだ小さく、活性を向上する方法を検討する必要がある。④電気化学セルへの展開では新たに電気化学的な2室型セルについて検討し、TiO2カソードに対して、電位を印加するとMVの還元速度がやや増加することを見出した。この条件では電流が流れず、活性のみが増加する非ファラデー型の活性の向上を行えることを見出した。酸素の発生も確認できた。通常のアノードへのTiO2の応用に比べ、カソードへの応用は、興味深い反応を進行できることが分かった。
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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
当初、目的としていた可視光応答型光触媒としての酸窒化物はMVの還元活性を示さなかったが、色素の修飾で効率が大きく向上できたので、ほぼ目的通りに進捗していると判断している。またバイオ触媒に関してはCO2の共存効果を確認し、メタンものオキシダーゼの発現に成功したので、ほぼ目的通りに進捗していると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の検討で、Eosin Yが優れた色素増感効果を示した。Eosin Yの修飾で、620nm付近の吸収を利用できるが、各波長の光に対する部分量子収率を明確にするとともに、さらに優れた修飾効果を発現できる色素について検討を行い。とくにEosin Yでの良好な修飾効果の発現する理由の検討を目的に、過渡蛍光などの各種分光法を用いて測定する。一方で、DFT計算を用いてEosin Yとの電子授受を検討するとともに、さらに電解移動を容易とする構造についても検討し、実際に色素を合成して、その有用性を示す。
次にバイオ光触媒に ついては引き続きニトロゲナーゼによるNH3合成の高活性化について検討する。そのために、細胞壁の厚い、シアノバクテリアから細胞壁の薄いバクテリアへの変更を検討する。また、不安定になるものの、細胞壁を破壊し、取り出した酵素についても検討を行う予定である。一方、今年度明らかにしたメタンモノオキシナーゼを用いるCH4からアルコールの直接返還を行う。このために、酸化雰囲気でも電子を伝達できるシステムの検討を行う。また細胞内へのEosin Yの導入を行い、直接Eosin Yを励起して、電子をメタンモノオキシダーゼに伝達して、CH4から光触媒的にメタノールの合成を検討しようと考えている。犠牲剤についても引き続き、詳細な検討を行い、とくにバクテリアに適合した犠牲剤を探索する。電気化学セルについては、作用極 への光触媒系の応用を検討する。従来はカソードにはn型半導体としてCu2Oなどが多用されるが、Cu2Oは不安定なので、これに代わるペロブスカイト系の作用極 触媒を検討する。またp型光機能電極をアノードにも応用して、non Faradaicでの反応の加速が行えないかの検討を行う。酸化還元媒体のメチルビオロゲンの電気化学的な酸化還元を検討する予定である。
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Research Products
(1 results)
