高い光吸収性と二酸化炭素改質性能を有するハイブリッド光触媒の開発と反応機構解明

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25420921
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Mie University
• Principal Investigator: 西村 顕 三重大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60345999)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 地球温暖化対策 / 可視光応答光触媒 / 二酸化炭素還元

Research Abstract

今年度は主に以下の2点の研究課題について取り組んだ。
（1）網目状繊維基材に可視光応答光触媒を作製する手法を種々検討し、CO2改質性能を評価
ゾルゲル・ディップコーティング法で、TiO2にFeやCuの微小金属を担持させた可視光応答光触媒を作製した。その際に、これまで検討してきた45ミクロンアンダー粒子よりサイズの小さい10ミクロンレベルの粒子を担持させた。その結果、粒子微小化の効果はあまり認められなかった。ただし、金属粒子をより多く、均一分散させる担持方法については、さらなる検討が必要である。次に、網目状繊維にコーティングしたTiO2上にFeやCuをパルスアークプラズマガンで担持させる方法を試みた。その結果、ゾルゲル・ディップコーティング法よりも、多く、かつ均一にFeやCuをTiO2表面に担持させることができた。しかし、CO2改質性能は、コーティング条件によってゾルゲル・ディップコーティング法より優れた場合とそうでない場合とに分かれたため、コーティング方法を再度検証する予定である。
（2）従来のH2O/CO2系だけでなく、H2/CO2系およびH2/H2O/CO2系でのCO2改質性能評価
還元剤を変化させた反応系（H2O/CO2系、H2/CO2系、H2/H2O/CO2系）で被反応ガスの混合モル比がCO2改質性能に及ぼす影響を評価した。CO2から燃料を生成する際には、還元剤から生じるプロトンと光触媒反応で生じた電子が重要な役割を担うため、還元剤の種類や使用量が生成燃料の量や種類に大きく影響を及ぼすと考えられるためである。CO2とH2のモル比を変化させて実験を行った結果、CO生成における最適モル比は、H2/CO2系においてCO2:H2=1:2、H2/H2O/CO2系においてはCO2:H2=1:4となった。検討条件での最高の燃料生成濃度は、Fe担持TiO2、H2O/CO2系で得られた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

交付申請書で記載した「研究の目的」で挙げた四つの課題（課題1：高いCO2改質性能を有するハイブリッド光触媒作製技術の構築、課題2：ランプ照射条件でのCO2改質性能評価と照射光波長特性との相関解明、課題3：初期ガス組成比がCO2改質性能に及ぼす影響評価とその反応メカニズム解明、課題4：太陽光照射条件下でのCO2改質性能評価と高性能化のための採光機構改善）のうち、平成25年度で課題1を、平成26年度で課題2、3を実施する予定にしていたが、平成25年度中に課題1～3を実施できた。
ただし、課題1の目標である高いCO2改質性能を有するハイブリッド光触媒の作製にまでは至らず、また担持候補金属を全て試すには至らず、作製方法や作製光触媒の表面分析については、まだまだ多くの時間をかけて検討が必要である。
課題2については、目標としてキセノンランプ照射条件下でのCO2改質性能評価と照射光波長特性との相関解明を掲げているが、紫外光を含む条件と含まない条件でのCO2改質性能評価は実施できたが、さらに細かく波長域の影響を評価するまでには至らなかった。まずは高いCO2改質性能を発揮する光触媒の作製に重点をおいて研究を進めたためである。
課題3については、これまでに検討事例がほとんどないH2/CO2系およびH2/H2O/CO2系での初期ガス組成比がCO2改質性能に及ぼす影響については、高い改質性能が得られる初期ガス組成比を明らかにし、目標をある程度達成できた。ただし、反応メカニズム解明には至らず、今後条件を振りつつ、生成物の分析を詳細に行うことで、目標達成を目指す必要がある。
以上のことから、全体的には当初の予定を上回るスピードで研究課題に取り組めているが、内容的にはまだまだ時間を必要とする部分もあり、総合的評価として「おおむね順調に進展している」とした。

Strategy for Future Research Activity

【現在までの達成度】で既述したように、交付申請書で記載した「研究の目的」で挙げた四つの課題のうち、平成25年度で課題1を、平成26年度で課題2、3を実施する予定にしていたが、平成25年度中に課題1～3を実施できた。しかしながら、内容的に未達の部分もあるため、今年度も継続して課題1～3を実施する。
推進方策としては、平成25年度に実施した課題の中で十分に成果を上げられなかった高いCO2改質性能を有するハイブリッド光触媒の作製に特に注力し、これまで十分な実績のあるゾルゲル・ディップコーティング方法の一つ一つの工程についても見直すこととする。これは、各工程が現在用いる網目状繊維基材に最適かどうか確認されていないので、改めてパラメーターとして振って見直すことがCO2改質性能向上を実現する上で必要と考えるためである。また、担持金属について検討していない金属種やコーティング方法があるため、パラメーターとして振って高CO2改質性能条件を探索する。加えて、異なる金属を担持させたTiO2光触媒を重ね合わせた条件でのCO2改質性能評価はまだ行っていないため、急ぎ実施し、その効果を検証すると共に、性能向上につながるコーティング条件、実験条件を模索する。さらには、実験を行う際の前処理（具体的には、実験装置の吸着燃料ガス加熱脱気と網目状繊維の表面処理剤加熱除去）条件も見直し、実験結果の精度向上も図る。
以上より、光触媒作製手順、実験手順は確立されているが、改めて見直すことでブレークスルーの足かせになっている技術的課題を抽出して研究推進を図る考えである。