| 研究課題/領域番号 |
20H02525
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27030:触媒プロセスおよび資源化学プロセス関連
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| 研究機関 | 東京都立大学 (2022-2023)
北九州市立大学 (2020-2021) |
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研究代表者 |
天野 史章 東京都立大学, 都市環境科学研究科, 教授 (10431347)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2020年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
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| キーワード | 光電気化学 / 半導体電極 / 光触媒 / 水分解 / メタン変換 / 水素製造 / メタン / 気相反応 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
再生可能エネルギーの有効利用のためには、水蒸気や二酸化炭素のような気相中の小分子を燃料に転換するPower to Fuel技術の開発が必要とされている。特に、光や電気を使った常温反応プロセスの開発が期待されている。本研究では、独自に開発した全固体型の光電気化学システムを用いて、水蒸気やメタンの光電解反応について研究を進める。分子レベルでの活性種や反応機構の理解をもとに、気相小分子転換のための光電気化学反応プロセスの基盤技術を創出する。
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| 研究実績の概要 |
ガス拡散性の多孔質な酸化タングステン（WO3）光触媒を用い、プロトン交換膜を固体電解質とした光電気化学セルによるメタン変換反応を検討した。加湿したメタン気流下で波長453 nmの青色光を照射したところ、約60%の選択性でエタンが生成し、その生成速度は照射光強度の増加に伴って増加した。一方、紫外光照射下においては、二酸化炭素の生成が支配的であり、エタン生成の選択性は約30%に低下した。スピントラップ剤を含む電解液フロー型の電子スピン共鳴測定を行い、ヒドロキシルラジカル生成のファラデー効率（電流効率）を光電流密度の値から求めたところ、可視光照射下では紫外光照射下に比べてヒドロキシルラジカルが効率的に生成することが分かった。したがって、ヒドロキシルラジカルがエタン生成に寄与していることが示唆された。
水蒸気存在下におけるメタン変換反応において、Pd等を担持した酸化ガリウム（Ga2O3）光触媒がエタンおよび水素の生成に有効であった。そこでGa2O3の光触媒作用に及ぼす金属助触媒の効果について検討した。また、水分解反応に高活性を示した他の半導体光触媒（NaTaO3:La、SrTiO3:Al、及びAgTaO3等）によるメタン変換反応も調査した。助触媒間及び光触媒間における反応特性の違いを調べるため、反応中間体となるラジカル種を電子スピン共鳴法で調べた。メタン変換反応に有効な光触媒ではヒドロキシルラジカル由来のシグナルが観測されたことから、ヒドロキシルラジカルがメチルラジカル生成の活性種であり、エタン生成の中間体であると結論した。一方、水の酸化反応による酸素発生では、表面ペルオキシルラジカルが反応中間体として生成した。この活性種の生成しやすさは、それぞれの半導体光触媒のイオン化ポテンシャル（価電子帯上端及び表面準位のエネルギー値）に依存することが示唆された。
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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