| 研究領域 | 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製 |
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| 研究課題/領域番号 |
17H06440
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
工藤 昭彦 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (60221222)
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| 研究分担者 |
石谷 治 東京工業大学, 理学院, 教授 (50272282)
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2022-03-31
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| キーワード | 光触媒 / 二酸化炭素 / 人工光合成 / 金属酸化物 / 錯体 |
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| 研究実績の概要 |
半導体光触媒の研究として，これまでに，Ag助触媒を中心にCO2の還元によるCO生成に着目して研究を行ってきた。その結果，新規ワイドバンドギャップ光触媒として，タングステンブロンズ構造を有するBa6Zr2Ta8O30などを開発した。また，水を電子源として用いた二酸化炭素活性な金属酸化物で構成されるZスキーム型可視光応答性光触媒として，Ag(0.5wt%)/SrTiO3:Rh(1%)＋BiVO4を見いだした。このZスキーム型光触媒は，電子伝達剤を必要としない粒子間電子移動で働く光触媒であり，CO2還元光触媒においてこのような系の開発は世界初である。反応メカニズムを検討した結果，CO2存在下によりpHが酸性になり，光触媒粒子が凝集し，粒子間電子移動が進行することが明らかになった。一方， B班の野澤グループとの共同研究として，X線吸収微細構造計測を用いたCu(I)からなる金属酸化物光触媒のキャラクタリゼーションにおいて，そのCuの状態を明らかにした。
分子光触媒の研究としては，半導体との複合化を志向し新たな分子設計に基づいた超分子光触媒の開発を行った。このように設計された超分子光触媒と，銀微粒子を担持した半導体TaON上に固定化したハイブリッド光触媒は，比較的弱い還元剤であるメタノールを用いてもCO2をギ酸へと選択的に光還元することがわかった。また，この超分子光触媒を用いた光電気化学システムを開発するための予備実験として，４つのホスホン酸置換基を配位子上に有するRu(II)光増感剤を，p型半導体NiO電極に吸着させた。この電極に可視光を照射するとカソード電流が観測された。
工藤と石谷との共同研究として，水によるCO2還元を駆動することができる超分子光触媒と半導体微粒子を融合したハイブリッド光触媒の開発に着手した。
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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
水を電子源としたCO2還元に活性な新規光触媒を複数開発でき，光触媒ライブラリーを充実することができた。特に，水を電子源として用いた二酸化炭素活性な金属酸化物で構成されるZスキーム型可視光応答性光触媒，Ag(0.5wt%)/SrTiO3:Rh(1%)＋BiVO4では，特別な添加物を加えることなく水と二酸化炭素のみで反応が進行したことは特筆すべきことである。
４つのメチルホスホン酸置換基を配位子上に有するRu(II)光増感剤に，エーテル鎖を用いてRu(II)カルボニル触媒を結合した超分子光触媒と銀微粒子を担持した半導体TaON上に固定化したハイブリッド光触媒が，比較的弱い還元剤であるメタノールを用いてもCO2をギ酸へと選択的に光還元することを見いだしたことは大きな進展である。
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| 今後の研究の推進方策 |
新たな光触媒開発を引き続き行う。特に，水を電子源とした二酸化炭素還元に活性な可視光応答性光触媒の開発を加速する。また，気相光触媒反応についても着手する。
４つのメチルホスホン酸置換基を有するRu(II)-Ru(II)超分子光触媒の合成にはすでに成功しているが，その収率が低いこと，特に単離過程で大きなロスが生じていることが研究を進める上で問題となっている。そこで，超分子光触媒の合成・単離法を大幅に向上させる。これまで予備的に行った半導体光触媒とのハイブリッド化は期待が持てる結果を与えており，一定量の超分子光触媒が合成でき次第，比較的伝導帯の高いTaONやGaN:ZnO固溶体に加え，伝導帯の低いWO3やBiVO4とのハイブリッド光触媒を作成し，その光触媒特性を検討する。また，p型半導体NiO電極上へ吸着した分子光カソードを開発し，それとn型半導体光アノードを合わせ用いることにより水を還元剤としたCO2の光触媒還元に挑戦する。
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| 備考 |
学生ポスター賞受賞4件
第123回触媒討論会／2018年光化学討論会／The 22nd International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy／第7回JACI/GSCシンポジウム
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