2014 Fiscal Year Research-status Report
固体-気体界面での光CO2還元 ～膜状光CO2還元触媒～
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26620166
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
由井 樹人 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (50362281)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | CO2還元 / 光触媒 / 半導体膜 / 金属ナノ粒子 / レニウム錯体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
代表的なCO2還元触媒であるレニウム錯体と層状半導体膜の複合化を検討した。複合化の手法として、層状半導体膜の陽イオン交換特性に着目し、陽イオン性かつ水溶性のレニウム錯体(Re(bpy)(CO)3OH2+; ReOH2+)の合成および水溶液浸漬法による複合化検討した。詳細な分析の結果、通常の水溶液浸漬法では、層状半導体の層間にReOH2+は吸着されず、極微量不純物である銀イオンが選択的に層間に挿入されてしまうことが明らかとなった。ReOH2+は柔らかい陽イオンであるため、硬い陽イオン種とのイオン交換がほとんど進行しないためと考えられた。一方、銀イオンを含む層状半導体膜に光を照射すると、光照射した箇所だけ明瞭な色調変化が生じた。詳細な検討により、光触媒反応により銀イオンが還元され銀のナノ粒子が半導体層間に生成していると結論付けた。
これらの結果を踏まえて、２つの研究方針を新たに立案・実行した。
１、新規陽イオン性レニウム錯体の合成；アンモニウム等の硬い陽イオン性の置換基を導入したレニウム錯体を合成し、イオン交換法にて層状半導体膜への導入を試みる。新規レニウム錯体の合成が難航しているが、合成の最終段階にまでは到達している。
２、層状半導体/金属(酸化物)ナノ粒子複合膜の合成と評価；金属や金属酸化物ナノ粒子は、新たな触媒として期待されている非常に重要な材料群である。特に酸化銅ナノ粒子はCO2還元触媒として機能することが報告されている。先のセレンティビィテイー的発見から、層状半導体層間で金属ナノ粒子が合成できることを見出したので、金、銀、銅、酸化銅ナノ粒子と層状半導体複合膜の合成と触媒特性について検討を行った。これまでの検討で、非常に特異的な形態のナノ粒子が層間で生成していることを、世界に先駆けて見出している。
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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
水溶性レニウム錯体の合成を行い、半導体膜との複合化を行った。予想に反して、レニウム錯体と半導体との複合化は達成できなかったが、複合化に必要な条件などの基本的かつ重要な科学情報を得ることができた。これらの情報をもとに、新規レニウム錯体の合成を行っている。研究計画段階でも、当該年度半ばに改良型レニウム錯体を合成する旨明記している。年度内での合成は達成できていないが、目的とするレニウム錯体合成も最終段階に入っており、H27年度で相当な挽回が期待できる。
一方、セレンティビィテイー的発見から、これまで報告例の無い層状半導体膜/金属ナノ粒子複合体の合成に成功している。半導体と金属ナノ粒子、特に酸化銅ナノ粒子は、新たなCO2還元触媒として注目されている(Nature 2013)。本研究では、半導体と金属ナノ粒子をナノレベルで複合化可能な個体薄膜の合成に成功しており、新規な膜状光触媒としての応用が期待される。この系に関しては、研究計画に記載できなかったが、本研究の目的に合致した新たな発見として研究を行っている。
総括すると、レニウム錯体の合成がやや遅れているが、研究計画当初はなかった有望な発見もあり、全体的には概ね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
改良型レニウム錯体の合成がやや遅れているので、早急に合成を完了させ、目的である層状半導体/レニウム錯体複合膜の作成に着手する。また、気相の反応に関しても、予備的な実験を終了しており、まずは金属ナノ粒子/層状半導体複合膜を用いた気相反応に着手する。これらは、研究計画に記載したスケジュールとほぼ同じに研究推進ができると考えている。
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| Causes of Carryover |
新たな研究課題として層状半導体/金属ナノ粒子の検討を開始したことによる予算不足から、前倒し支払い請求を申請した。しかし、高価な金属試薬が予想以上に安価で購入できた点と使用量が予想よりも低かったことにより予算の残が生じた。さらに、レニウム錯体の合成が難航してたため、高価な有機試薬の使用量も予想以上に少なかった点も影響している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H27年度以降は、新規レニウム錯体の合成に相当の人数配置と予算配分を行うため、計画的な予算執行が行えると考えている。さらに、金属の展開も行う予定であるため、これらの希少金属の使用も考慮すると、円滑な予算執行が行えると考えている。
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