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2015 年度 実施状況報告書

太陽光エネルギーを利用したプラズモン誘起アンモニア合成

研究課題

研究課題/領域番号 15K17438
研究機関北海道大学

研究代表者

押切 友也  北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (60704567)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワードナノ材料 / 再生可能エネルギー / 局在表面プラズモン共鳴 / 人工光合成 / アンモニア
研究実績の概要

本研究では、従来の高温・高圧条件下でのハーバー・ボッシュ法とは異なる低環境負荷なアンモニア合成法の開発を目指すものである。
これまでに、プラズモン光アンテナとして金ナノ粒子と、助触媒としてルテニウム微粒子を担持したチタン酸ストロンチウムを光電気化学触媒として用いることで、窒素の還元によるアンモニアの合成に成功しているが、反応選択性の低さや、犠牲試薬としてエタノールを用いる必要があった。
平成27年度は、助触媒への吸着種が反応選択性に大きな影響を有すると推測し、窒素原子の吸着エネルギーが水素原子のそれよりも優位となると予測されるZrを用いて光電気化学触媒を作製し、アンモニア生成の選択性に関する検討が行った。その結果、アンモニアの生成速度がルテニウムを用いた場合の6倍程度まで増大すること、さらにアンモニア生成の選択性が飛躍的に増大することが明らかとなった。
さらに、犠牲試薬として用いていたエタノールを添加せずに、水のみを電子源としてアンモニア合成反応を行ったところ、陽極で水の酸化による酸素発生が、陰極で窒素の還元によるアンモニアの生成がそれぞれ確認された。また、その生成比はおおよそ4:3であり、化学量論的に反応が進行することも示された。
さらに、本系において生成したアンモニアの窒素源が空中窒素であることを検証することも行った。本反応系の酸化槽に同位体窒素ガスを封入し、光アンモニア合成反応を行い、ガスクロマトグラフ質量分析計を用いて生成したアンモニアの質量分析を試みたところ、標準物質であるアンモニアと同一の溶出時間に同位体窒素含有アンモニアを示すピークが明確に観測された。これは、封入した窒素ガスが固定されてアンモニアへ変換されたことの証左といえる。
以上より、プラズモン誘起電荷分離を利用し、可視光と水を用いて空中窒素を還元し、水素キャリアとして注目されているアンモニアの合成が実現された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成27年度は、反応助触媒の改良により、反応選択性が飛躍的に向上してほぼ選択的にアンモニアを得ることに成功しただけでなく、反応効率も大幅に向上した(従来の6倍以上)。
さらに、犠牲試薬を用いることなく、水、空中窒素、可視光からアンモニアを得ることに成功した。これは当初設定した最終達成目標の一つであり、計画を大幅に上回る成果と言える。
また、歴史上アンモニアの光触媒による合成は生成効率が低いこともあり、常に環境からのコンタミネーションの懸念にさらされてきたが、本研究では同位体窒素ガスを反応物として用い、ガスクロマトグラフ質量分析計を用いて分析することにより、窒素ガスがアンモニアに変換された直接的な証拠を得ることに成功した。
さらに、助触媒の効果を検討する中で助触媒によって反応機構が異なる可能性が示唆された。窒素の光電気化学的還元によるアンモニア合成反応に関する知見は世界的に見ても未だ乏しく、本研究成果はその反応機構を明らかにする上で極めて重要な知見であると考えられる。

今後の研究の推進方策

平成28年度は反応のさらなる高効率化を目指し、デバイス設計に注力する。具体的には下記の計画で研究を進める。
1)反応表面積及び光捕集効率を増大するために、半導体基材の三次元化加工を行う。特に、電子の進行方向を一次元に規定可能なナノチューブやナノホールアレイなどの構造が有用であると考えられる。
2)イオン輸送効率を増大可能なデバイス設計を行う。現状では窒素ガスの還元は触媒・窒素・水溶液からなる3相界面での反応であるため、塩橋などのイオン輸送経路が確保出来ておらず、反応律速となっていると考えられる。ナフィオンなどのイオン輸送可能な高分子膜などを用いることで、イオン輸送経路を確保する。また、(1)で作製した三次元半導体と組み合わせることで、イオン・電子輸送を効率的に行いながら反応可能なデバイスの構築を目指す。

次年度使用額が生じた理由

27年度末(~3/27)の出張を精算払いとし、28年度の支出として計上されたため。

次年度使用額の使用計画

上述の通り、既に使用済み。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件) 図書 (3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Selective dinitrogen conversion to ammonia using water and visible light via plasmon-induced charge separation2016

    • 著者名/発表者名
      T. Oshikiri, K. Ueno, H. Misawa
    • 雑誌名

      Angew. Chem. Int. Ed.

      巻: 55 ページ: 3942-3946

    • DOI

      10.1002/anie.201511189

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Plasmon-induced Artificial Photosynthesis2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, T. Oshikiri, Y. Zhong, X. Shi, and H. Misawa
    • 雑誌名

      Interface Focus

      巻: 5 ページ: 20140082

    • DOI

      10.1098/rsfs.2014.0082

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Plasmon-enhanced light energy conversion using gold nanostructured oxide semiconductor photoelectrodes2015

    • 著者名/発表者名
      K. Ueno, T. Oshikiri, K. Murakoshi, H. Inoue, H. Misawa
    • 雑誌名

      Pure Appl. Chem.

      巻: 87 ページ: 547-555

    • DOI

      10.1515/pac-2014-1120

    • 査読あり
  • [学会発表] Plasmon-induced ammonia synthesis from dinitrogen, water and visible light2016

    • 著者名/発表者名
      T. Oshikiri
    • 学会等名
      Asian International Symposium -photochemistry- at 96th Annual Meeting of Chemical Society of Japan
    • 発表場所
      Doshisha University, Kyoto, Japan
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Visible-light Driven Ammonia Synthesis from N2 via plasmon-induced charge separation2016

    • 著者名/発表者名
      T. Oshikiri
    • 学会等名
      “Renewable Energy: Solar Fuels” Gordon Research Conference
    • 発表場所
      Renaissance Tuscany II Ciocco, Lucca, Italy
    • 年月日
      2016-02-28 – 2016-03-04
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Plasmon-induced artificial photosynthesis using gold nanostructured oxide semiconductor photoelectrodes2015

    • 著者名/発表者名
      H. Misawa, Y. Zhong, T. Oshikiri, Y. Mori, K. Ueno
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACHIFICHEM) 2015
    • 発表場所
      Hawaii Convention Center, Honolulu, USA
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] Selective nitrogen fixation to ammonia via plasmon-induced charge separation2015

    • 著者名/発表者名
      T. Oshikiri, K. Ueno, H. Misawa
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (PACHIFICHEM) 2015
    • 発表場所
      Hawaii Convention Center, Honolulu, USA
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属ナノ微粒子を用いたプラズモン誘起光化学反応2015

    • 著者名/発表者名
      上野 貢生、押切 友也、三澤 弘明
    • 学会等名
      第5回化学フェスタ2015
    • 発表場所
      タワーホール船堀(東京都・江戸川区)
    • 年月日
      2015-10-13 – 2015-10-15
    • 招待講演
  • [学会発表] 水を電子源とした窒素還元によるアンモニア光合成2015

    • 著者名/発表者名
      押切友也、上野貢生、三澤弘明
    • 学会等名
      2015年光化学討論会
    • 発表場所
      大阪市立大学(大阪府・大阪市)
    • 年月日
      2015-09-09 – 2015-09-11
  • [学会発表] Nitrogen Conversion to Ammonia via Plasmon-induced Charge Separation2015

    • 著者名/発表者名
      T. Oshikiri, K. Ueno, H. Misawa
    • 学会等名
      27th International Conference on Photochemistry (ICP2015)
    • 発表場所
      ICC Jeju, Jeju Island, Korea
    • 年月日
      2015-06-28 – 2015-07-03
    • 国際学会
  • [図書] 「可視光を用いた空中窒素固定によるアンモニア合成」、月刊ファインケミカル、特集 アンモニア合成の最新動向、分担執筆2016

    • 著者名/発表者名
      押切友也、上野貢生、三澤弘明
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      シーエムシー出版
  • [図書] 「可視光を用いた空気中の窒素からの人工光合成によるアンモニア合成」、アンモニアを用いた水素エネルギーシステム、分担執筆2015

    • 著者名/発表者名
      押切友也、上野貢生、三澤 弘明
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      シーエムシー出版
  • [図書] 「近赤外捕集アンテナ技術の開発と太陽電池への応用」、近赤外・紫外線-波長変換と光吸収増大による太陽電池の高効率化技術」、分担執筆、第2章、第4節2015

    • 著者名/発表者名
      三澤弘明、上野 貢生、押切友也
    • 総ページ数
      11
    • 出版者
      S&T出版
  • [備考] 可視光・水・空中窒素からのアンモニアの合成に成功

    • URL

      https://www.hokudai.ac.jp/news/160302_es_pr.pdf

URL: 

公開日: 2017-01-06  

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