2014 Fiscal Year Annual Research Report
半導体光触媒ナノ構造と水素透過膜の統合による光誘起高純度水素生成
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25709024
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
野田 啓 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (30372569)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 半導体光触媒 / ナノ構造 / 水素発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光動作型の水素生成・分離一体型薄膜（水素生成・分離膜）を用いた光誘起高純度水素発生に関する研究を実施した。この水素生成・分離膜は「燃料改質部」である半導体光触媒ナノ構造と「水素分離部」である水素透過性金属の二層構造から構成される。
まず、燃料改質部に陽極酸化で作製した酸化チタン（TiO2）ナノチューブアレイ、水素分離部にパラジウム（Pd）の無電解めっき膜を採用し、総膜厚が約3μmという極薄の二層メンブレンの作製に成功した。また、ガスクロマトグラフを取り入れた大気圧に近い条件下での水素生成・分離特性の評価系を新たに構築し、上記の極薄メンブレンにおいて、メタノールと水の混合物を燃料源として、紫外光照射に伴う高純度水素の生成速度を計測した。現状では、実用条件には程通い小さな水素生成量しか得られず、また、実効的な量子効率が約0.1%程度と小さく、パラジウム膜における水素透過過程が水素生成量を制限している状況にあるが、極薄の水素生成・分離膜の作製技術とその特性評価手法の確立に至った点は大変重要な成果であると言える。
一方、新規材料探索の点では、陽極酸化法による酸化鉄ナノチューブアレイ（FNA）の作製条件を確立すると共に、白金（Pt）担持したFNA試料に対して、可視光照射下におけるメタノールの光分解とそれに伴う水素生成の検出、及び光触媒反応過程の解明につながる知見を得ることに成功した。
また、原子間力顕微鏡による半導体光触媒／助触媒金属界面における表面電位計測に着手し、TiO2/Au及びTiO2/Pd界面における比較を行い、大気中の水分子等の光分解によって発生するプロトンの振る舞いが助触媒金属種によって異なる事を示唆する予備的な結果を得ている。
以上のように、光動作型の水素生成・分離膜における特性評価法の確立、並びに高純度水素生成の高効率化に向けた有益な成果を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成26年度当初の計画では、実用条件を意識した水素生成・分離膜の評価系の構築と動作条件の最適化、可視光応答性を有する半導体ナノ構造の作製とその水素生成・分離膜への応用、光触媒／助触媒金属における表面電位測定の実施、が主な課題であった。得られた成果として、全電気化学的手法によって極薄のTNA/Pd二層膜の作製に成功し、大気圧に近い条件下での紫外光照射に伴う高純度水素の生成速度や量子効率を測定できた点、可視光応答性を有する半導体材料である酸化鉄ナノ構造の作製条件を確立できた点、表面電位計測において助触媒金属種依存性を示唆する予備的な測定結果が得られた点については、概ね研究計画に沿った成果であると言える。
しかし、水素生成量がまだまだ小さく、水素生成・分離膜の動作条件の最適化には至っていない点、可視光応答型の半導体光触媒ナノ構造を用いた水素生成・分離膜の作製にはまだ成功していない点を考慮すると、本研究課題の進捗についてはやや遅れていると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、これまでに引き続き、水素生成・分離膜に用いる材料開発を更に進めていく。可視光応答性を有する半導体材料のうち、昨年度の成果として作製条件をある程度確立できた酸化鉄ナノ構造（ナノ多孔膜、ナノチューブアレイ）だけでなく、リン酸銀（Ag3PO4）などの他の材料によるナノ粒子の作製とそれらの水素生成・分離膜への応用を試みる。また、半導体表面に貴金属ナノ粒子を担持することにより生じる局在プラズモン共鳴を利用した可視光応答性向上についても検証を行う。これらの材料系に対して、疑似太陽光照射下での気相系光触媒反応過程の評価や分光測定を実施する。
それと並行して、昨年度に構築した大気圧に近い条件下での水素生成・分離膜特性の評価系において、温度可変機構を新たに導入する。これにより、実用条件を意識した半導体光触媒ナノ構造／水素透過性金属の二層メンブレンにおける構造及び動作条件の最適化を進める。
更に、ケルビンプローブ原子間力顕微鏡（KPFM）を用いた光照射下での半導体光触媒の表面、及び光触媒／水素透過性金属との界面におけるマイクロ・ナノスケール表面電位測定を実施する。不活性雰囲気中、及び大気中の異なる環境下における光照射下での表面電位測定を行い、光触媒反応過程における水素透過性金属表面でのプロトンの挙動の解明を試み、本研究課題の対象である水素生成・分離膜の設計指針の確立につながる知見を得る。
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| Causes of Carryover |
平成26年度において複数の備品購入を行った結果、予算残額が少なくなってしまい、当該研究課題の遂行に必要な他の備品購入を次年度に延期せざるを得なくなったことが挙げられる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度に光源を要する測定（光触媒水素生成や表面電位測定）を同時並行して行うことを予定しており、その実験遂行の効率化を図るためにキセノン光源を新たに次年度使用額を充当して購入する計画である。
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