IS法と光触媒反応からなる熱-光化学ハイブリッド水素製造プロセスの開発

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24686107
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 萩原 英久 九州大学, 工学研究院, 助教 (30574793)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: ISプロセス / 水素 / 光触媒 / 水分解

Research Abstract

本研究の目的は、熱化学水素製造法として知られるIS法と光触媒反応や光電極反応を組み合わせて、太陽光エネルギーを利用して効率よく水を分解する熱-光化学水素製造プロセスの開発であり、今年度はヨウ化水素水溶液からの水素生成反応に高い活性を示す光触媒系の探索を中心に研究を進めた。
これまでの光触媒による水分解の研究の主流は一段階励起の直接分解であり、ヨウ化水素水溶液からの水素生成反応(2HI→H2+I2)に関する報告はそう多くないことから、様々な光触媒のこの反応に対する活性を調べた。まず生成する水素とヨウ素の定量法について様々な分析方法を検討し、生成した水素はガスクロマトグラフで、ヨウ素は吸光光度法で分析することとした。光触媒については水の直接分解反応に対して高い活性を示した触媒を中心に検討し、ワイドバンドギャップ半導体であるZr添加KTaO3や可視光応答性を有するGaN:ZnO、SnS、SiCなどを検討し、中でもZr添加KTaO3がこの反応に対して高い光触媒活性を示すことを見出した。さらに、光触媒活性の向上を目的として、GaN:ZnOやC3N4に対してPt助触媒の担持効果を検討したところ、最も活性が向上したもので水素生成速度が約3倍に達することがわかった。さらに、非回触媒活性に与える反応溶液温度の影響について検討したところ、反応溶液温度が上がるにつれて活性は向上することが明らかとなった。
以上の結果から、ヨウ化水素水溶液からの水素生成反応に対してZr添加KTaO3が高い光触媒活性を示すことが明らかとなり、水の光分解反応と同様に、Pt等の助触媒による気体生成過電圧の低減や反応溶液温度の加熱が活性向上に有効であることを見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画ではヨウ化水素水溶液からの水素生成反応に高い活性を示す光触媒を探索し、反応温度の影響について検討する予定であり、光触媒としてZr添加KTaO3を、反応温度は高い方が高効率で反応が進行することをそれぞれ見出したため。

Strategy for Future Research Activity

今後の方針として、引き続きヨウ素水溶液から高効率に水素を生成する光触媒を探索するとともに、その触媒に対する異種金属添加や表面修飾などによる活性の向上を検討する。また、ISプロセスにおける硫酸分解反応に対する光アシスト効果の検討や、耐酸性・耐腐食性を有する助触媒による水素生成反応過電圧の低減を試みる。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

次年度の硫酸分解反応に対する光アシスト効果の検討には、反応系を高温にする必要があることから、電気炉を新たに購入する予定である。また、電気炉以外にも光触媒の調製や表面修飾に必要な試薬やガス類の購入、実験に必要なガラス器具等の消耗品などが主な研究費の用途となる予定である。

Research Products

• [Remarks]
  • URL: http://www.cstf.kyushu-u.sc.jp/~ishihara-lab/index2.html