| 研究課題/領域番号 |
23K23387
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| 補助金の研究課題番号 |
22H02119 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分34030:グリーンサステイナブルケミストリーおよび環境化学関連
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| 研究機関 | 三重大学 |
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研究代表者 |
勝又 英之 三重大学, 工学研究科, 准教授 (10335143)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2025年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2022年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
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| キーワード | グラファイト状窒化炭素 / バンドエンジニアリング / 水分解 / 可視光応答 / Z-スキーム |
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| 研究開始時の研究の概要 |
研究代表者はこれまでに、炭素と窒素のみで構成されているグラファイト状窒化炭素（g-C3N4）光触媒の骨格構造を精密に制御することにより、可視光下における光触媒活性が向上し、有効利用波長の改善とバンド構造のチューニングに成功している。そこで本研究では、研究代表者が見出したバンドエンジニアリング法を駆使し、水素および酸素生成用g-C3N4を最適化することにより、太陽光有効利用可能な水の完全分解系を構築することを目的とする。異なるバンド構造を持つ同種光触媒の組合せにより、革新的な可視光応答活性の発現をねらい、次世代の水完全分解材料に対する設計指針への寄与を目指す。
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| 研究実績の概要 |
炭素および窒素等のユビキタス元素からなる有機光触媒は、環境および資源に配慮した材料として注目されている。本研究では、水素および酸素生成のためのg-C3N4を異なるバンドエンジニアリング法を用いて、それぞれ合成し、価電子帯および伝導帯の電位が水素生成・酸素生成に最適な位置に制御された2種類のg-C3N4を用いる電子メディエーターを介したZ-スキームによる水の高効率完全分解系を構築することを目的とする。
本年度は、g-C3N4骨格内でヘテロ接合の形成と芳香環の導入を達成可能な合成法を確立し、その可視光水素生成活性の向上を実現した。最適なg-C3N4の水素生成速度は1220 μmol/g・hであった。尿素由来のg-C3N4 (200 μmol/g・h)の約6倍の水素生成活性の向上に成功した。XRD、FTIR、XPS、TEMの解析結果より、本光触媒はg-C3N4基本骨格を維持したままヘテロ接合の形成と芳香環の導入が達成されたことが明らかとなった。光吸収強度は、400-650 nmの全領域で増加し、可視光波長領域の大部分を利用可能とすることに成功した。このことは、見かけの量子収率が420 nmで11.14%、600 nmで0.63%であったことからも証明された。さらにバンドギャップエネルギーは、2.98 eVから2.86 eVへ減少した。また、チオ尿素由来の中間準位(1.98 eV)の存在も明らかとなった。PLの結果より、電子-正孔対の再結合率を抑制できていることが示された。また、EISの結果より、電荷移動抵抗は小さいことが明らかとなった。これらの結果から、g-C3N4の光触媒活性の向上は、ヘテロ接合の構築と芳香環の導入が、光吸収領域の拡大、電子-正孔対の再結合の抑制、電荷分離と移動を促進する働きを担うことが主な要因であると考えられた。
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| 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
昨年度はg-C3N4の光触媒活性を向上させることに成功したものの、600 nmの光照射下においては水素の生成は認められなった。本年度、g-C3N4骨格内でヘテロ接合の形成と芳香環の導入により、600 nmでの見かけの量子収率は0.63%と、水素生成に成功した。しかし、600 nmにおける見かけの量子収率15%の目標を達成できておらず、その点を考慮し、概ね順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
「現在までの進捗状況」でも記述の通り、600 nmにおける見かけの量子収率15%の目標を達成できていないため、今後は更なる光触媒活性の向上を目指す。具体的には、ドーパント分子の探索と窒化チタンとの複合化により、目標を達成する。
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