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太陽光を利用した鹹水分解による水素製造

研究課題

研究課題/領域番号 21K18212
研究種目

挑戦的研究(開拓)

配分区分基金
審査区分 中区分36:無機材料化学、エネルギー関連化学およびその関連分野
研究機関山梨大学

研究代表者

入江 寛  山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (70334349)

研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
26,000千円 (直接経費: 20,000千円、間接経費: 6,000千円)
2026年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2025年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2024年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2021年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
キーワード水素製造 / 鹹水分解 / 太陽光 / 光触媒 / 赤色光
研究開始時の研究の概要

次世代のエネルギー資源として注目されている水素を、恒久的に地球上に降り注ぐクリーンな太陽光エネルギーを利用して鹹水から製造すべく検討を行う。地球上に存在するほとんどの水は海水であり、さらに太陽光が強い地域での水の確保は困難であるため、鹹水(代表例は海水、塩化物イオンを含む水)の使用が不可欠と考えられる。そこで本研究では、太陽光の有効利用の観点から可視光全域を利用できる光触媒を用い、かつ海水利用を想定した塩化物イオン共存下で水を完全分解することによって水素、酸素を量論比で発生させ、エネルギーとして水素を獲得できる技術を検討する。

研究実績の概要

次世代のエネルギー資源として注目されている水素を、恒久的に地球上に降り注ぐクリーンな太陽光エネルギーを利用して鹹水から製造すべく検討を行っている。地球上に存在するほとんどの水は海水であり、さらに太陽光が強い地域での水の確保は困難であるため、鹹水(代表例は海水、塩化物イオンを含む水)の使用が不可欠と考えられる。そこで本研究では、太陽光の有効利用の観点から可視光全域を利用できる光触媒を用い、かつ海水利用を想定した塩化物イオン共存下で水を完全分解することによって水素、酸素を量論比で発生させ、エネルギーとして水素を獲得できる技術の検討を行った。具体的には、塩化物イオン共存下での水分解では塩化物イオンと水の酸化反応が競争反応となるため、塩化物イオンでなく選択的に水を酸化し酸素を発生させる助触媒の探索、創出を試みた。
令和5年度は、すでに見出している酸化ルテニウム酸素発生助触媒を種々の光触媒材料に担持し、水の完全分解を試みた。ある光触媒材料では擬似海水(塩化ナトリウム3 wt%添加した蒸留水)を完全分解(水素、酸素が定量比で発生)でき、別の光触媒材料では完全分解できないといった現象が観察された。このことから、酸素発生助触媒だけでは海水の分解を完全には達成できないと考え、海水分解に向けて塩化ナトリウムが光触媒材料に与える影響を再検討した。また、水素発生助触媒としての白金も必ずしも塩化ナトリウムの影響を受けるわけでないことが明らかとなり、海水分解に向けた新たな視点が加わったと考えている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

令和5年度は、令和3, 4年度見出した塩化ナトリウム(NaCl、ナトリウムイオン(Na+)、塩化物イオン(Cl-))の影響を受けない酸化ルテニウム(RuO2)酸素発生助触媒を用いた検討を行った。
・種々の光触媒材料(タンタル酸銀(AgTaO3)やチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、タンタル酸ビスマス(BiTaO4))を作製し、それらに含侵法にてRuO2を担持した(BiTaO4/RuO2, SrTiO3/RuO2, AgTaO3/RuO2)。BiTaO4/RuO2では水を完全分解できす、SrTiO3/RuO2では海水を完全分解できず、AgTaO3/RuO2では海水を完全分解できた。
・犠牲剤を用いた水の半反応による水素(H2)発生では白金(Pt)担持SrTiO3 (Pt/SrTiO3)ではNaClあり(擬似海水)の場合、なしに比べて大きくH2発生量が低下したもの、Pt担持BiTaO4 (Pt/BiTaO4)ではNaClあり、なしにかかわらず同じH2発生量であった。
以上の結果から、光触媒材料によってNaClの影響の有無があること、H2発生助触媒であるPtが必ずしもNaClの影響を受けているわけではないことが明らかとなった。海水分解に向けてNaClがH2発生反応に与える影響と共にNaCl光触媒材料に与える影響の再検討を開始した。
検討を進めた結果、光触媒材料によってはNaClの影響を受けないものも存在することが分かり、海水分解に向けた新たな視点が加わったと考えている。以上からおおむね順調に進展していると判断している。

今後の研究の推進方策

・R5年度、NaCl存在下でもプロトンを還元し水素(H2)を発生できるCrOx/Pt,Au/ZnRh2O4、すなわちH2助触媒Pt, AuをCrOxで保護したCrOx/Pt,Auを担持したロジウム酸亜鉛(ZnRh2O4)、とNaClの存在下でも水を選択的に酸化し酸素(O2)を発生できる酸化ルテニウム担持バナジン酸ビスマス(RuO2/BiVO4)を複合化したCrOx/Pt,Au/ZnRh2O4/Au/BiVO4/RuO2の疑似海水での分解実験を行なったが海水分解できなかった。両者を接合しているAuがNaClの影響を受けていると考えられるため、接合に寄与するAuもCrOxによる保護の検討を今後も進めていく。
・RuO2がNaCl存在下でも水を選択的に酸化できる理由を第一原理計算の手法を用いて解明を試みている。Cl-の吸着で説明ができそうなところまで進んでいるため、引き続き検討する。同様の考察が可能か、Pt,Au/ZnRh2O4, CrOx/Pt,Au/ZnRh2O4で比較検討を行う。
・BiTaO4光触媒がNaClの影響を受けずにH2を発生できることが明らかとなったため、まずは光触媒材料を構成する元素に注目しBi, Taから構成されるタンタル酸ビスマス(Bi3TaO7, Bi7Ta3O18)の疑似海水中での分解を試みる。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 審査結果の所見   実施状況報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Near-Infrared Light-Inducible Z-scheme Overall Water-Splitting Photocatalyst without an Electron Mediator2023

    • 著者名/発表者名
      H. Irie, M. Yoda, H. Miyashita, R. Hanada, T. Takashima, H. Kuroiwa
    • 雑誌名

      Chem. Commun.

      巻: 59 号: 74 ページ: 11057-11060

    • DOI

      10.1039/d3cc03156j

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of a Gold-Inserted Iron Disilicide and Rutile Titanium Dioxide Heterojunction Photocatalyst via the Vapor-Liquid-Solid Method and Its Water-Splitting Reaction2022

    • 著者名/発表者名
      K. Akiyama, S. Nojima, Y. Ito, M. Ushiyama, T. Okuda, and H. Irie
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 7 号: 43 ページ: 3874438751-3874438751

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c04360

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Selective loading of platinum cocatalyst onto zinc rhodium oxide in a silver-inserted heterojunction overall water-splitting photocatalyst consisting of zinc rhodium oxide and bismuth vanadium oxide2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Irie, Masaomi Yoda, Toshihiro Takashima, Junya Osaki
    • 雑誌名

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      巻: 129 号: 7 ページ: 453-457

    • DOI

      10.2109/jcersj2.20227

    • NAID

      130008060697

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
    • 年月日
      2021-07-01
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 金属層を挿入したβ-FeSi2とTiO2ヘテロ接合構造の電極電位制御2024

    • 著者名/発表者名
      秋山 賢輔、祖父江 和治、入江 寛
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] β-FeSi2/TiO2複合粒子の光触媒効果に及ぼす還元反応助触媒及びCrOx被覆膜の影響2022

    • 著者名/発表者名
      秋山 賢輔, 奥田 徹也,伊藤 裕子,牛島 幹夫,長沼 康弘, 入江 寛
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 光触媒効果による水分解に向けたTa3N5とβ-FeSi2の複合粒子合成2022

    • 著者名/発表者名
      秋山 賢輔, 奥田 徹也, 長沼 康弘, 入江 寛
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 鉄シリサイド/窒化タンタル複合粒子の光触媒効果による水分解2022

    • 著者名/発表者名
      秋山 賢輔, 奥田 徹也, 長沼 康弘, 入江 寛
    • 学会等名
      日本化学会第103春季年会(2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 光誘起電荷移動に基づく複合光触媒の構築と高機能化2022

    • 著者名/発表者名
      入江寛
    • 学会等名
      公益社団法人日本セラミックス協会2022年年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [備考] クリーンエネルギー研究センター太陽エネルギー変換研究部門ホームページ

    • URL

      http://www.scgroup.yamanashi.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 山梨大学 クリーンエネルギー研究センター 太陽エネルギー変換研究部門

    • URL

      http://www.scgroup.yamanashi.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

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公開日: 2021-07-13   更新日: 2024-12-25  

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