• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2015 Fiscal Year Research-status Report

二酸化炭素光触媒還元電位・波長の制御と光燃料電池の援用および動的過程の分光追跡

Research Project

Project/Area Number 26410204
Research InstitutionChiba University

Principal Investigator

泉 康雄  千葉大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50251666)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords光燃料電池 / 二酸化炭素 / 光燃料化 / 圧依存性 / 酸化チタン / 層状複水酸化物 / X線吸収微細構造 / 赤外分光
Outline of Annual Research Achievements

水を媒質とする、両極に光触媒を用いる太陽電池(光燃料電池)では動作原理に立ち返り、負極で水を光酸化して生じたO2がセル内で正極に移行し正極では光還元されて水に戻ることで、セルが独立して光をエネルギー源として発電することを示した。
さらに動作過程を明らかにするために、正極光触媒にバンドギャップが4.5 Vと大きいZrO2に銀を担持して用いたところ、セル当り1.9 Vの起電力を示したが、負極の励起電子が正極の銀に直接流れ込み、セル出力に余り寄与しない過程も併発することが明らかになった。一方、正極では酸化チタンを有機-水混合溶媒中で高分散後触媒層化した場合に、水光酸化の活性点数および触媒層の通電がよく、より小さな粒径によるものと考えられた。

CO2光燃料化では、まず反応速度および選択性を支配する因子の検討を行った。水素および水蒸気を還元剤に用いた場合いずれも、Pd/TiO2が概ね最も優れていた。触媒は10 mgの膜状にするのがよく、水素を還元剤に用いた場合CO2 0.12 MPa, H2 0.28 MPaの場合に極大速度でメタンを生成した。金属的なPdサイトへのCO2とHとの競合が考えられた。水蒸気を還元剤に用いた場合、メタン生成はCO2圧の0.39乗に比例して増加し、CO2 0.8 MPaでH2使用の極大速度と並んだ。水はTiO2表面で、CO2はPd表面でサイト分離されて、それぞれ酸化/還元されると考えられた。
一方、BiOClおよびAg-[Zn3Ga(OH)8]2CO3_mH2O層状複水酸化物を用いると、還元剤として水素を用いるよりも水蒸気を用いる方がメタンおよびCO生成速度が速い、という常識外の結果を得た。この理由として、半導体表面における水の活性化機構と深く関わっているものと考えられるが、詳細は研究進行中である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

光燃料電池については、セルの要素毎に実験的に検討を進めて起電力、出力を向上させ、その動作原理を調べていく計画であり、概ね順調に進展していると考える。

一方、CO2光燃料化については、光触媒の還元電位として半導体によりマイナス側の電位をもつ添加物質およびサステイナブルな方法で負電位をかける、という計画であったが、本研究後の将来を見据えた研究開発では、半導体自身の選択、反応セルや還元剤、反応圧等根本的に検討する必要があった。上記のように2015年度にこれらを十分検討し、反応機構からの理解も進んでいる。反応サイトが競合しないよう、およびO2を脱離しやすい触媒開発等更なる進展の方向を明確にしている点でも、当初の計画以上に進展していると考える。

以上、総じて当初も計画以上に進展している、と考える。

Strategy for Future Research Activity

光燃料電池については、上記の酸化チタン層より優れた触媒層の形成法(スプレー法,異方性結晶利用等)があるか検討する。負極だけでなく、正極についても層形成の影響を調べる。また、計画した検討項目として残されている、正極にp型半導体を用いたときの性能をサイクリック・ボルタンメトリーおよび分光測定と合わせて検討してゆく。

CO2光燃料化では、CO2とHとがサイト競合しないような金属表面サイト、たとえば合金サイトの開発、またH2Oから容易にO2が脱離する添加物の開発を行い、本研究のこれまでの成果で得た圧依存性、膜依存性、還元剤依存性と合わせて、更なる飛躍が十分期待できる。

  • Research Products

    (24 results)

All 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results) Book (1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Technical University Gh. Asach of Iasi(Romania)

    • Country Name
      Romania
    • Counterpart Institution
      Technical University Gh. Asach of Iasi
  • [Journal Article] Tailoring assemblies of plasmonic silver/gold and zinc-gallium layered double hydroxides for photocatalytic conversion of carbon dioxide using UV-visible light2015

    • Author(s)
      Shogo Kawamura, Puscasu Magda Cornelia, Yusuke Yoshida, Yasuo Izumi, and Gabriela Carja
    • Journal Title

      Applied Catalysis A

      Volume: 504 Pages: 238-247

    • DOI

      10.1016/j.apcata.2014.12.042

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide using Zn-Cu-Ga Layered Double Hydroxides Assembled with Cu Phthalocyanine: Cu in Contact with Gaseous Reactant is Needed for Methanol Generation2015

    • Author(s)
      Shogo Kawamura, Naveed Ahmed, Gabriela Carja, and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Oil & Gas Science and Technology

      Volume: 70 Pages: 841-852

    • DOI

      10.2516/ogst/2015020

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Recyclable Photofuel Cell for Use of Acidic Water as a Fuel2015

    • Author(s)
      Yuta Ogura, Mao Yoshiba, and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Oil & Gas Science and Technology

      Volume: 70 Pages: 853-862

    • DOI

      10.2516/ogst/2015031

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Preferential Photooxidation of CO in Hydrogen Across the Crystalline Face Boundary over Spheroidal ZnO Promoted by Cu Ions2015

    • Author(s)
      Yusuke Yoshida, Takaomi Itoi, and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 119 Pages: 21585-21598

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b07240

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Correction to Preferential Photooxidation of CO in Hydrogen Across the Crystalline Face Boundary over Spheroidal ZnO Promoted by Cu Ions2015

    • Author(s)
      Yusuke Yoshida, Takaomi Itoi, and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 119 Pages: 26242-26242

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.5b10590

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Binary metal (Ti, Cu) oxyhydroxy-organic (terephthalate) framework: an interface model nanocatalyst for hydrogen purification2015

    • Author(s)
      Yusuke Yoshida and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Journal of Catalysis

      Volume: 332 Pages: 1-12

    • DOI

      10.1016/j.jcat.2015.09.007

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Site Structure of BiO1-xCl-y Photocathode in Photofuel Cell that Uses Acidic Water as a Fuel2015

    • Author(s)
      Mao Yoshiba, Yuta Ogura, and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Photon Factory Activity Report 2014

      Volume: 32B Pages: 2013G159

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Characterization of Plasmonic Nanoparticles and Dyes Assembled with Layered Double Hydroxides to Promote the Photoreduction of Carbon Dioxide into Fuels2015

    • Author(s)
      Shogo Kawamura and Yasuo Izumi
    • Journal Title

      Photon Factory Activity Report 2014

      Volume: 32B Pages: 2014G631

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 水素を還元剤とするCO2光燃料化反応の光触媒の探索と膜厚および反応ガス圧依存性2016

    • Author(s)
      河村省梧・張 宏偉・泉 康雄
    • Organizer
      日本化学会第96春季年会
    • Place of Presentation
      同志社大学(京都府・京田辺市)
    • Year and Date
      2016-03-24 – 2016-03-24
  • [Presentation] 水を還元剤とするCO2光燃料化反応の光触媒の探索と反応ガス圧依存性2016

    • Author(s)
      張 宏偉・河村省梧・泉 康雄
    • Organizer
      日本化学会第96春季年会
    • Place of Presentation
      同志社大学(京都府・京田辺市)
    • Year and Date
      2016-03-24 – 2016-03-24
  • [Presentation] Optimization of photocatalytic conversion of CO2 into fuels: Dependence on reductant (water/H2), pressure, and thickness of photocatalysts2016

    • Author(s)
      Shogo Kawamura, Hongwei Zhang, Yasuo Izumi
    • Organizer
      251st ACS National Meeting & Exposition
    • Place of Presentation
      San Diego, USA
    • Year and Date
      2016-03-16 – 2016-03-16
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Photocatalytic conversion of carbon dioxide to fuels using layered double hydroxide-based catalysts: Optimized performance and the reaction mechanism2015

    • Author(s)
      Yasuo Izumi, Naveed Ahmed, Motoharu Morikawa, Shogo Kawamura
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem) 2015
    • Place of Presentation
      Honolulu, USA
    • Year and Date
      2015-12-16 – 2015-12-16
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 層剥離および増感成分により層構造を制御した層状複水酸化物を用いた二酸化炭素光還元反応2015

    • Author(s)
      長谷川博紀・河村省梧・泉 康雄
    • Organizer
      第116回触媒討論会A
    • Place of Presentation
      三重大学(三重県・津市)
    • Year and Date
      2015-09-18 – 2015-09-18
  • [Presentation] 光燃料電池の電極表面反応を高速化する光触媒の探索と内部抵抗を低減化する2 層構造形成による高出力化2015

    • Author(s)
      吉羽真緒・小倉優太・森井萌愛・泉 康雄
    • Organizer
      第116回触媒討論会A
    • Place of Presentation
      三重大学(三重県・津市)
    • Year and Date
      2015-09-18 – 2015-09-18
  • [Presentation] 銅とチタンを含むbinary MOF 合成法の改良と水素中CO選択酸化反応特性2015

    • Author(s)
      吉田祐介・下芝千晶・泉 康雄
    • Organizer
      第116回触媒討論会A
    • Place of Presentation
      三重大学(三重県・津市)
    • Year and Date
      2015-09-16 – 2015-09-16
  • [Presentation] Self-assemblies of plasmonic gold/silver and ZnO based mixed metal oxides for efficient UV and solar-driven photocatalysis2015

    • Author(s)
      Elena Florentina Grosu, Gaku Mikami, Shogo Kawamura, Magda Cornelia Puscasu, Yasuo Izumi, and Gabriela Carja
    • Organizer
      International Conference on Advanced Complex Inorganic Nanomaterials 2015
    • Place of Presentation
      Namur, Belgium
    • Year and Date
      2015-07-13 – 2015-07-17
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Mediating oxidation state of plasmonic god grown on layered double hydroxides matrices for UV and solar driven photocatalysis2015

    • Author(s)
      Shogo Kawamura, Elena Florentina Grosu, Yasuo Izumi, and Gabriela Carja
    • Organizer
      AdvPhotoCat 2015
    • Place of Presentation
      Iasi, Romania
    • Year and Date
      2015-07-06 – 2015-07-08
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Spectroscopic Monitoring and Optimization of the Photoreduction of Carbon Dioxide into Fuels Using Layered Double Hydroxides2015

    • Author(s)
      Shogo Kawamura and Yasuo Izumi
    • Organizer
      27th International Conference on Photochemistry
    • Place of Presentation
      Jeju, Korea
    • Year and Date
      2015-06-30 – 2015-06-30
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimized Geometry of Neighboring Formate Oxidation and O2 Reduction Sites on Designed Cu-ZnO Photocatalysts for Photo-PROX Reaction of CO2015

    • Author(s)
      Yusuke Yoshida and Yasuo Izumi
    • Organizer
      27th International Conference on Photochemistry
    • Place of Presentation
      Jeju, Korea
    • Year and Date
      2015-06-30 – 2015-06-30
    • Int'l Joint Research
  • [Book] Advances in CO2 Capture, Sequestration, and Conversion2015

    • Author(s)
      Yasuo Izumi
    • Total Pages
      381
    • Publisher
      ACS Books
  • [Remarks] 表面化学研究グループ(千葉大学大学院理学研究科)の研究成果

    • URL

      http://cat.chem.chiba-u.jp/index.html

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 一酸化炭素酸化用触媒及びこれを用いた一酸化炭素除去方法2016

    • Inventor(s)
      泉 康雄、吉田祐介
    • Industrial Property Rights Holder
      千葉大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-004132
    • Filing Date
      2016-01-13
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 一酸化炭素酸化用触媒及びこれを用いた一酸化炭素除去方法2015

    • Inventor(s)
      泉 康雄、吉田祐介
    • Industrial Property Rights Holder
      千葉大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2015-195503
    • Filing Date
      2015-09-30

URL: 

Published: 2017-01-06  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi