| Project/Area Number |
23K13618
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
長川 遥輝 茨城大学, 応用理工学野, 助教 (50968170)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2027: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2026: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 光触媒 / 結晶欠陥 / 水素製造 / 光改質 / 電子トラップ / ナノ粒子 / 金属ナノ粒子 |
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| Outline of Research at the Start |
光触媒反応において、結晶欠陥に由来する電子トラップは活性に大きな影響を与える。これまでに、電子トラップのエネルギー準位に関する知見は得られているが、その空間的な分布は未だ解明されていない部分が多い。本研究では、電子トラップに捕捉された電子による金属ナノ粒子の担持法を確立し、その析出部位を調べることで、光触媒粒子上における電子トラップの空間的な分布を明らかにする。さらには、本手法によって担持した金属ナノ粒子を助触媒として活用し、高効率の光触媒反応の達成を目指す。最終的には、電子トラップを介した電荷移動の機構解明を行い、光触媒材料やその他の光機能材料に対する新たな設計方針の確立を目標とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究では、複合光触媒の高性能化と応用展開に向けて、材料設計と反応機構の解明に重点を置いた検討を進めた。まず、カドミウムフリー光触媒の実現に向けた取り組みとして、硫化亜鉛系光触媒の合成に成功した。得られた硫化亜鉛系粒子は、可視光応答性を示すベース材料として有望であり、今後、表面欠陥の制御や助触媒担持技術と組み合わせることで、更なる機能強化が期待される。ただし、現段階では欠陥構造の活用が十分でないことから、次年度以降も機能最適化を継続する方針である。
また、電子トラップ法を用いて担持したPtナノ粒子が、硫化カドミウム光触媒の構造や触媒活性に与える影響を検討した。その結果、光照射中に生じる粒子形態の変化が光触媒反応に密接に関与しており、形態変化の制御が電荷分離効率と活性の向上に有効であることを見出した。
また、助触媒担持の多様化に向けて、ガルバニック置換反応を用いた新たな白金析出法を導入した。銀、銅、ビスマスなどの異なる価数の金属を媒介として用いたところ、媒介金属に応じて白金の析出形態が大きく異なることを確認した。今後は電子トラップ法との併用により、金属ナノ粒子と半導体の界面構造を精密に制御し、より高効率な複合光触媒系の開発を目指す。
さらに、得られた複合光触媒を廃プラスチックを基質とした光改質反応に適用し、優れた水素生成性能と高い生成物選択性を実証した。この反応系では、水素生成と廃棄物の化学的改質を同時に実現できる。今後は、より多様な廃棄物への展開を通じて、実用化を視野に入れた応用研究を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度に開発した電子トラップ法は、当初の想定を超えて多様な光触媒材料や反応系への展開が可能であることが示されており、計画以上の進展が得られていると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた成果を踏まえ、今後の研究では、光触媒材料の多様化と実廃棄物への応用展開を重点的に進める。まず、カドミウムフリー光触媒の確立を目指して開発した硫化亜鉛系材料については、表面欠陥の活用が十分でない課題が残されており、メカノケミカル的な加工、ドーピング、複合化といった戦略を組み合わせ、欠陥構造の精密制御を図る。加えて、電子トラップ法を活用した助触媒担持技術と連携させることで、より高活性・高安定な光触媒系の構築を目指す。
また、白金担持においてガルバニック置換法を導入した成果を発展させ、金属ナノ粒子の分散状態や界面構造を制御する手法を確立する。電子トラップ法とガルバニック置換を利用した、段階的な助触媒の担持を行うことで、複数の金属を空間的・機能的に配置した高度な複合光触媒の設計に挑戦する。
応用面では、既に成果の得られているポリ乳酸などの廃プラスチックに加え、多様な廃棄物へと展開し、実用性の高い反応系の構築を目指す。とくに、選択的酸化反応を通じた生成物制御や、廃棄物由来の生成物の有効利用に着目し、資源循環型のプロセス開発へと発展させる。これらの展開により、光触媒による廃棄物改質と水素製造の両立という持続可能な社会に資する技術基盤の確立を目指す。
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