ナノスケールで三次元的に制御した高性能複合光触媒の開発と水素生成への応用

• Project/Area Number: 22KJ0733
• Project/Area Number (Other): 22J00535 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
• Research Institution: Ibaraki University (2023-2024); The University of Tokyo (2022)
• Principal Investigator: 長川 遥輝 茨城大学, 応用理工学野, 助教
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 光触媒 / 水素製造 / ナノ材料 / ナノ粒子 / ナノ加工 / 金属ナノ粒子

Outline of Research at the Start

光触媒を用いた水素製造は、太陽光のエネルギーによって反応が進行することから、持続可能なプロセスとして注目されている。本研究では、光電気化学的に光触媒の形態を加工することで、ナノスケールで3次元的に制御された光触媒材料の開発を行う。具体的には、光触媒の欠陥、結晶面、吸収波長の違いや、担持金属のプラズモン共鳴等を活用し、光触媒の形態制御を目指す。これにより、水分解や有機性廃棄物の分解および改質を伴った水素製造に適した特性を発現させ、従来よりも高活性の反応系を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、ナノスケールで三次元的に構造を制御した高性能複合光触媒を開発し、水素生成反応に応用することである。特に、活性向上だけではなく、可視光応答性光触媒において大きな課題である光腐食の抑制を目指した。当初は、二種の半導体と金属ナノ材料からなる複合体の設計により、効率的な電荷分離と高い安定性の両立を図る計画であった。しかし、研究の進展に伴い、高結晶性光触媒の合成に成功したため、これを基盤とした新たな光触媒材料の開発に取り組んだ。
具体的には、大気中での溶融塩処理によって高結晶性の硫化カドミウム光触媒を合成し、加熱時間の調整により粒径を制御できることを確認した。この高い結晶性により、電荷キャリアの再結合が抑制され、優れた光触媒活性が得られた。また、表面欠陥を活用することで金属助触媒の高分散担持に成功し、界面での電荷移動の促進が明らかとなった。
さらに、光腐食反応を結晶面選択的な粒子加工手法として応用し、ナノスケールの三次元凹凸構造を形成した。これにより比表面積が増加し、さらなる活性向上が実現された。従来は避けられていた光腐食を積極的に利用するという新たなアプローチを確立できた点は、学術的にも意義深い。実用面でも、可視光下での長期安定性や反応再現性に優れ、実用化に向けた大きな進展が得られた。
開発した光触媒は、水素生成のみならず、金属ナノ材料の合成や、バイオマスおよび廃プラスチックを基質とした資源化にも応用可能であり、持続可能な社会の実現に向けた有望な技術として期待される。

Research Products

• [Journal Article] Photocatalytic Synthesis of Au Nanoplates (2024)
  • Author(s): Nagakawa Haruki, Tatsuma Tetsu
  • Journal Title: Crystal Growth & Design Volume: 24 Issue: 19 Pages: 7858-7864
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.4c00675
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis and Photoreforming Reaction of CdS Prepared from MOF Precursor (2024)
  • Author(s): Kamata Sora、Nagakawa Haruki、Inaguma Ayako、Nagata Morio
  • Journal Title: ChemPhotoChem Volume: － Issue: 9
  • DOI: 10.1002/cptc.202400018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Introduction and Quantification of Sulfide Ion Defects in Highly Crystalline CdS for Photocatalysis Applications (2024)
  • Author(s): Nagakawa Haruki
  • Journal Title: physica status solidi (a) Volume: － Issue: 12
  • DOI: 10.1002/pssa.202400213
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of Sacrificial Reagents on the Photodeposition Reaction of Cocatalysts (2024)
  • Author(s): Inaguma Ayako、Nagakawa Haruki、Kamata Sora、Nagata Morio
  • Journal Title: Advanced Energy and Sustainability Research Volume: － Issue: 5
  • DOI: 10.1002/aesr.202300295
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Facet-Selective Photoelectrochemical Reactions on Wurtzite CdS Photocatalysts (2023)
  • Author(s): Nagakawa Haruki、Tatsuma Tetsu
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 127 Issue: 41 Pages: 20337-20343
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c04816
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Well-Dispersed Au Co-Catalyst Deposited on Rutile TiO2 Photocatalyst via Electron Traps (2023)
  • Author(s): T. Akiyama, H. Nagakawa, and T. Tatsuma
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 25 Issue: 13 Pages: 9031-9035
  • DOI: 10.1039/d2cp06064g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly Crystalline Wurtzite CdS Prepared by a Flux Method and Application to Photocatalysis (2022)
  • Author(s): H. Nagakawa and T. Tatsuma
  • Journal Title: ACS Appl. Energy Mater. Volume: 5 Issue: 12 Pages: 14652-14657
  • DOI: 10.1021/acsaem.2c03083
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 光エッチングによるCdS-Pt光触媒形態の最適化 (2025)
  • Author(s): 長川遥輝, 立間徹
  • Organizer: 電気化学会 第92回大会
• [Presentation] ポリ乳酸の光改質反応における生成物の検討 (2024)
  • Author(s): 會田飛来, 長川遥輝
  • Organizer: 第35回日本化学会関東支部茨城地区研究交流会
• [Presentation] プラスチックの光改質反応における基質前処理法の検討 (2024)
  • Author(s): 會田飛来, 長川遥輝
  • Organizer: 第14回CSJ化学フェスタ2024
• [Presentation] Highly Efficient Hydrogen Production By Photoetched CdS-Pt (2024)
  • Author(s): Haruki Nagakawa, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: PRiME 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Facet-Dependent Photocatalytic Deposition of Metal Nanoparticles Onto Rutile TiO2 (2024)
  • Author(s): Tomoki Akiyama, Haruki Nagakawa, Tetsu Tatsuma
  • Organizer: PRiME 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化チタン上における結晶面選択的な金属ナノ粒子の光触媒析出 (2024)
  • Author(s): 秋山倫輝, 長川遥輝, 立間徹
  • Organizer: 電気化学会第91回大会
• [Presentation] 硫化物光触媒の欠陥制御とトラップ電子を活用した助触媒の担持 (2024)
  • Author(s): 長川遥輝
  • Organizer: 電気化学会第91回大会
• [Presentation] 溶融塩処理による高結晶性ウルツ鉱型CdS光触媒の作製 (2022)
  • Author(s): 長川遥輝、立間徹
  • Organizer: 日本化学会 第103回春季年会
• [Presentation] 硫化カドミウム光触媒の結晶面選択的な光電気化学反応 (2022)
  • Author(s): 長川遥輝、立間徹
  • Organizer: 電気化学会 第90回大会
• [Presentation] 電子トラップを活用した金属ナノ粒子複合型光触媒の開発 (2022)
  • Author(s): 秋山倫輝、長川遥輝、立間徹
  • Organizer: 2022電気化学秋季大会
• [Presentation] 電子トラップを活用したAu助触媒担持型ルチルTiO2光触媒 (2022)
  • Author(s): 秋山倫輝、長川遥輝、立間徹
  • Organizer: 日本化学会 第103回春季年会