2013 Fiscal Year Annual Research Report
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23245035
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| Research Institution | Chubu University |
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Principal Investigator |
成田 吉徳 中部大学, 総合工学研究所, 教授 (00108979)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
太田 雄大 九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (70509950)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / 水分解 / 可視光 / 水素発生 |
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| Research Abstract |
本年度は次の３点について、高い耐久性を示し、広範囲の可視光利用が可能な水分解系について研究を進め以下の成果を得た。
１. 増感色素として耐久性の高い色素の合成：ルテニウムビピリジン錯体類はBlack dyeやN3に代表される様に幅広い可視光吸収が可能であるが、水中で行う人工光合成反応に対しては、ビピリジン配位子が酸化を受け、分解する課題があった。この点を改良し同時に錯体の酸化電位を上昇させることにより長時間の光反応と、水分解反応速度の向上が見込める。そこで、ビピリジン配位子上に電子吸引性基を導入した配位子を作成し、それを含む一連のルテニウム錯体の合成を行った。
２. 酸化チタンナノ粒子への色素、水分解分子触媒の修飾方法の最適化：これまでの研究よりリン酸基をアンカー基として配位子に導入したルテニウム系色素や水の酸化分解分子触媒は酸化チタンナノ粒子焼結体表面へ結合に適していることを明かにした。そこで、本年度は。チタン板を濃アルカリ処理により生成するナノ構造体について、その処理条件（時間、アルカリの種類等）を種々変えた試料を作成し、それぞれへのリン酸アンカー基を有する分子触媒の修飾度を評価した。その結果、最適な処理条件を確立した。また、アルカリ処理条件を変えることにより、色素増感太陽電池等で用いられている10～15 nm厚の酸化チタンナノ粒子焼結体に匹敵する厚さを持つナノ構造体も作成できた。
３. 酸化チタン表面での色素、分子触媒の安定化：色素増感型人工光合成電極は水中での光照射により、上記の色素の分解の他に、酸化チタン表面からの色素の脱離により性能が劣化する。これを阻害するため、酸化チタンナノ粒子焼結体に色素、水の酸化触媒を修飾した電極に対して酸化アルミ(Al2O3)の原子層堆積法を適用することにより、水中での光照射反応においても、色素の脱離を大幅に削減することができた。
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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
本研究課題が目的とする色素増感型人工光合成系の創製において課題となる次の四項目について解決が計れた。
1. 水の酸化分解触媒として過電圧が低い触媒を色素と共に用いることにより、水の酸化、酸素発生を実現できることを立証した。
２. 酸化チタン半導体表面に共修飾した色素、水の酸化分解触媒系を用いて広範囲の可視光利用（< 700 nm）を可能とし、IPCE = 3%にて水分解を達成した。
３. ルテニウム色素の光励起・電荷分離により生成するカチオンラジカルは、ビピリジン配位子上に分布することから、水中での光反応を行うことで、配位子の酸化による、色素としての機能を失うことが知られている。これに対して、においては 耐酸化性の高い配位子を用いることにより色素の耐久性を大きく向上できるとともに、水の酸化触媒の酸化速度も向上できた。
４. 水中での色素増感型人工光合成反応系においては、酸化チタン表面からの色素の脱離が課題であったが、原子層堆積法を適用することにより飛躍的に電極の安定化が図れた。
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| Strategy for Future Research Activity |
１. 新たに合成した耐酸化性の大きな配位子と原子層堆積法を適用し、酸化チタン表面での色素等を安定化した光水分解電極により、長時間安定に作動する光水分解電極を実証する。
２ 金属チタン表面に十数μm厚の網目状三次元ナノ構造を作成でき、その表面状態を分子触媒修飾に適するよう、また電極として電気伝導性を保持するよう最適化が図れた。これを発展させ、従来の酸化チタンナノ粒子焼結体に変えてこの新規な材料の人工光合成系への応用を図る。これにより従来ナノ粒子間の接合体より、電荷分離後に大きな電子拡散長が期待でき、電荷分離効率の向上により水の光分解反応の量子収率の向上を目指す。
３. 広い可視光域に吸収を持つ無機半導体を電荷分離層として用い、水の酸化、およびプロトン還元/水素発生を進める。
４. 低い過電圧で水の酸化を可能とする新規卑金属分子触媒の開発を行う。
以上を総合して、本研究課題が目標とする、効率的かつ長時間作動可能な人工光合成型の水分解、酸素・水素分別発生システムを構築する。
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