ナノシートを用いた可視光利用可能な逆反応抑制型光触媒系の開発

• 研究課題/領域番号: 16J10084
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 触媒・資源化学プロセス
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 大島 崇義 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2016-04-22 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 300千円 (直接経費: 300千円); 2018年度: 100千円 (直接経費: 100千円); 2017年度: 100千円 (直接経費: 100千円); 2016年度: 100千円 (直接経費: 100千円)
• キーワード: 光触媒 / 人工光合成 / ナノシート / 色素増感 / 層状ペロブスカイト / 酸窒化物 / 可視光 / 層状化合物 / 水素発生

研究実績の概要

本研究ではナノシートを用い、(1)層空間と触媒表面で酸化・還元反応サイトが分離した逆反応抑制型光触媒系の構築、(2)可視光を利用した水分解反応の達成を目的とした。本年度の研究では、HCa2Nb3O10ナノシート再積層体の層空間に還元サイトとして働くPtナノ粒子を担持した触媒に対し、酸化サイト、および可視光吸収部位として機能するRu色素を吸着させ、その光触媒特性を調べた。ヨウ素アニオンを電子供与剤として用い光触媒反応を行ったところ、可視光照射に伴い断続的な水素の発生が観測された。これは酸化・還元サイトの空間的な分離により逆反応が抑制されたためであると考えられる。また、HCa2Nb3O10ナノシート再積層体の表面を酸化アルミニウムで修飾することで光触媒活性が大幅に向上することを見出し、適切な酸素発生光触媒と組み合わせた2段階励起型水分解系を構築することで、可視光を利用した水の完全分解を達成した。
さらに昨年度合成に成功した新規の層状ペロブスカイト酸窒化物であるK2LaTa2O6Nの光触媒特性に関して検討を行った。層状ペロブスカイト酸窒化物は可視光応答型ナノシートの前駆体として有望であると考えられるが、合成例が少ないことに加え、水溶液中での安定性に問題があり、その光触媒活性はほとんど検討されてこなかった。触媒調製や光触媒反応の条件を詳細に検討した結果、K2LaTa2O6Nが水溶液中においても安定な水素発生光触媒として機能することを見出した。またその光触媒活性は、従来の酸窒化物光触媒と比較しても10倍以上高く、K2LaTa2O6Nが優れた可視光応答型の光触媒として機能することが明らかとなった。最終的に、K2LaTa2O6Nを適切な酸素生成光触媒と組み合わせた2段階励起型光触媒系を構築することで、可視光照射下で水の完全分解反応を達成した。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Photocatalytic overall water splitting on Pt nanocluster-intercalated, restacked KCa2Nb3O10 nanosheets: the promotional effect of co-existing ions (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Yunan Wang, Daling Lu, Toshiyuki Yokoi, Kazuhiko Maeda
  • 雑誌名: Nanoscale Advances 巻: 1 号: 1 ページ: 189-194
  • DOI: 10.1039/c8na00240a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Undoped Layered Perovskite Oxynitride Li2LaTa2O6N for Photocatalytic CO2 Reduction with Visible Light (2018)
  • 著者名/発表者名: Oshima, T.、 Ichibha, T、Qin K, S、Muraoka, K.、Vequizo, J. J. M.、Hibino, K.、Kuriki, R.、Yamashita, S.、Hongo, K.、Uchiyama, T.、Fujii, K.、Lu, D.、Maezono, R.、Yamakata, A.、Kato, H.、Kimoto, K.、Yashima, M.、Uchimoto, Y.、Kakihana, M.、Ishitani, O.、Kageyama, H.、Maeda, K.
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 57 号: 27 ページ: 8154-8158
  • DOI: 10.1002/anie.201803931
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crystal Structure, Electron Density and Characterization of Visible-Light Responsive Photocatalysts, (BaTaO2N)1-x(SrWO2N)x Solid Solutions (2017)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Hibino, Masatomo Yashima, Takayoshi Oshima, Kotaro Fujii, Kazuhiko Maeda
  • 雑誌名: Dalton Trans. 巻: 46 号: 43 ページ: 14947-14956
  • DOI: 10.1039/c7dt02873c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inert Layered Silicate Improves the Electrochemical Responses of a Metal Complex Polymer (2017)
  • 著者名/発表者名: Miharu Eguchi, Masako Momotake, Fumie Inoue, Takayoshi Oshima, Kazuhiko Maeda, Masayoshi Higuchi
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 号: 40 ページ: 35498-35503
  • DOI: 10.1021/acsami.7b13311
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis, structure and photocatalytic activity of layered LaOInS2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Akira Miura, Takayoshi Oshima, Kazuhiro Maeda, Yoshikazu Mizuguchi, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa, Yu Meng, Xiaodong Wen, Masanori Nagao, Mikio Higuchi, Kiyoharu Tadanaga
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. A 巻: 5 号: 27 ページ: 14270-14277
  • DOI: 10.1039/c7ta04440b
  • NAID: 120006498164
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis and photocatalytic activity of K2CaNaNb3O10, a new Ruddlesden-Popper phase layered perovskite (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Toshiyuki Yokoi, Miharu Eguchi, Kazuhiko Maeda
  • 雑誌名: Dalton Trans. 巻: 印刷中 号: 32 ページ: 10594-10601
  • DOI: 10.1039/c6dt04872b
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pt-Intercalated KCa2Nb3O10 Nanosheet Aggregates and Their Photocatalytic Activity for Overall Water Splitting (2016)
  • 著者名/発表者名: Oshima Takayoshi, Lu Daling, Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: ChemNanoMat 巻: 2 号: 7 ページ: 748-755
  • DOI: 10.1002/cnma.201600072
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Synthesis of layered perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N and the application for photocatalytic CO2 reduction under visible light irradiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: 2018 International Symposium on Advancement and Prospect of Catalysis Science & Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of 2D perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N and the photocatalytic performance for CO2 reduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] 新規層状ペロブスカイト酸窒化物K2LaTa2O6Nの合成と光触媒特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大島 崇義、前田 和彦
  • 学会等名: 第37回 固体・表面光化学討論会
• [学会発表] Ta 系層状ぺロブスカイト酸窒化物の合成と可視光照射下での光触媒作用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大島 崇義、日比野 圭佑、藤井 孝太郎、八島 正知、前田 和彦
  • 学会等名: 第123回触媒討論会
• [学会発表] Synthesis and photocatalytic activity of a layered perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: 日本化学会第98春季年会
• [学会発表] KCa2Nb3O10ナノシートを用いたPtナノクラスター担持とその光触媒特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大島 崇義、前田 和彦
  • 学会等名: 第119回触媒討論会
  • 発表場所: 首都大学東京 南大沢キャンパス
  • 年月日: 2017-03-21
• [学会発表] Synthesis of layered oxynitride Li2LaTa2O6N and its photocatalytic activity (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Osamu Ishitani, Kakuhiko Maeda
  • 学会等名: ISEPD2017
  • 発表場所: Okinawa Jichikaikan, Okinawa, Japan
  • 年月日: 2017-02-17
  • 国際学会
• [学会発表] Photocatalytic performance of Li2LaTa2O6N layered oxynitride (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: 16th Korea-Japan Symposium on Catalysis
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of layered oxynitride Li2LaTa2O6N and the photocatalytic performance for H2 evolution and CO2 reduction (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: 9th International Symposium on Nitrides and Related Materials & 5th International Symposium on SiAlONs and Non-oxides
  • 国際学会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト構造を有する 新規酸窒化物の合成とその光触媒特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大島 崇義, 前田 和彦
  • 学会等名: 第120回 触媒討論会
• [学会発表] Light induced H2 evolution on metal oxide nanosheet (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: International Conference on Functional Nanomaterials and Nanodevices
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンタル系層状酸窒化物の合成とその光触媒特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大島 崇義、前田 和彦
  • 学会等名: 第118回触媒討論会
  • 発表場所: 岩手大学 理工学部
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] Deposition of small noble metal particles on KCa2Nb3O10 restacked nanosheet and the photocatalytic activity (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: SPIE. OPTICS + PHOTONICS
  • 発表場所: San Diego Convention Center, San Diego, California, USA
  • 年月日: 2016-08-28
  • 国際学会
• [学会発表] Water splitting reaction using restacked KCa2Nb3O10 nanosheets modified with Pt nanoclusters (2016)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: ICC2016
  • 発表場所: China National Convention Center, Beijing, China
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト構造を有するタンタル系酸窒化物の合成とその光触媒特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大島 崇義、石谷 治、前田 和彦
  • 学会等名: 第35回光がかかわる触媒化学シンポジウム
  • 発表場所: 東京工業大学蔵前会館