2023 Fiscal Year Annual Research Report
色素増感型ナノシート光触媒による高効率可視光水分解
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22H01862
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
前田 和彦 東京工業大学, 理学院, 教授 (40549234)
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2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / 水素製造 / 光触媒 / 水分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
膨大な太陽光エネルギーと地球上に豊富な水から水素を作り出すことができれば、再生可能なクリーンエネルギー製造の観点から社会に大きなインパクトを与えると期待できる。そのような太陽光水素製造技術のひとつとして、強い可視光吸収能を有する金属錯体と安定な金属酸化物半導体粉末を組み合わせたハイブリッド型光触媒による、水からの水素生成反応が注目されている。
我々はすでに、Pt担持HCa2Nb3O10ナノシートに対して増感色素として[Ru(dmb)2(4,4'-(PO3H2)2bpy)]2+を吸着担持したものを水素生成光触媒として用いると、酸素生成用のWO3系光触媒と組み合わせたヨウ素レドックス系Zスキーム水分解反応において可視光水分解が進行することを見出していた。さらに、Ruの吸着前にPt担持HCa2Nb3O10ナノシートに対してAl2O3修飾とポリスチレンスルホン酸（PSS）修飾とを両方を施すと、可視光水分解の効率が飛躍的に高まることを報告していた。
2023年度は、PSSと類似のアニオン性のポリマーによる修飾効果について調べ、ポリメタクリル酸ナトリウム（PMA）がPSSよりもI3-高濃度条件下での水素生成活性の向上に有用であることを見出した。Zスキーム水分解において420 nmにおける見かけの量子収率5.1%と色素増感型光触媒を用いた水分解において最高値を達成した。ペンシルベニア大学のMallouk教授との国際共同研究として行った過渡吸収分光測定により、HCa2Nb3O10の伝導帯からI3-への逆電子移動の抑制には、PMAとPSSの両方が同様の効果を示すが、I-からの電子供与過程は、PSS系よりもPMA系の方が効率的であることを明らかにした。この成果はSolar RRL誌に発表した。
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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
色素増感型酸化物ナノシート光触媒の表面修飾効果について着実に研究を進め、Zスキーム水分解の量子収率の最高値を更新することに成功した。そのため、おおむね順調に進展したと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度までの検討結果から、色素増感型光触媒の表面電位がZスキーム水分解の効率に大きく関わっていることが強く示唆された。このことを念頭に、2024年度はこれまで中心的に用いてきたHCa2Nb3O10ナノシートだけでなく、色素増感型光触媒によく用いられるTiO2についても検討する。これまでに見出したAl2O3修飾やポリマー修飾の効果について詳しく調べ、表面電位が色素増感型Zスキーム水分解に与える影響を明らかにする。
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