人工光合成を指向した酸素/過酸化水素生成のpH制御光アノードの創製

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02071
• 研究機関: 新潟大学
• 研究代表者: 八木 政行 新潟大学, 自然科学系, 教授 (00282971)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 水の酸化触媒 / 酸素発生触媒 / ルテニウム錯体 / 人工光合成

研究実績の概要

配位子L（L=5-phenyl-2,8-dicarboxy-anthyridine）と2.5等量のRu(tpy)Cl3（tpy = 2,2’:6’,2’’- terpyridine）を反応させたところ、錯形成反応と同時に配位子Lの構造変換が進行し、カルボキシ基の一つがヒドロキシ基に置換された二核錯体enol-RuII2(μ-OH)が得られた。1H NMRとUV-Visスペクトル測定から、enol-RuII2(μ-OH)は塩基性水溶液中において二電子酸化を伴う脱プロトン反応を受けて、可逆的にketo-RuIII2(μ-O)へと変化することが示された。さらに、keto-RuIII2(μ-O)の単結晶X線構造解析によって、アンチリジノン骨格の2および3位の窒素原子が一つのRuに配位した特異的な二核構造を有していることが示された。keto-RuIII2(μ-O)の水溶液中におけるサイクリックボルタモグラムでは、1.53V vs. RHEから水の酸化に由来する触媒電流が観測され、水の酸化過電圧は290 mVとそれぞれ見積もられた。このように、keto型の二核錯体が高い触媒活性と安定性を有することを見出した。

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

これまで、触媒の活性と安定性の向上が課題であったが、配位子Lを用いて合成することにより、非常に安定かつ活性な二核ルテニウム錯体の合成に成功した。この錯体を用いることにより、今後研究が大きく進展すると期待される。

今後の研究の推進方策

今後、配位子Lを有する二核ルテニウム錯体enol-RuII2(μ-OH)の単結晶構造解析を行う予定である。さらに、水の酸化触媒機構を明らかにすると共に、その重要因子を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Multi-potential-step chronocoulospectrometry for electrocatalytic water oxidation by a mononuclear ruthenium aquo complex immobilized on a mesoporous ITO electrode (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsubonouchi Yuta、Honta Junichiro、Sato Taisei、Mohamed Eman A.、Zahran Zaki N.、Saito Kenji、Yui Tatsuto、Yagi Masayuki
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 49 ページ: 1416～1423
  • DOI: 10.1039/C9DT04442F
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Photoisomerization and thermal isomerization of ruthenium aqua complexes with chloro-substituted asymmetric bidentate ligands (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hirahara, H. Goto, R. Yamamoto, M. Yagi, and Y. Umemura
  • 雑誌名: RSC Adv. 巻: 9 ページ: 2002-2010
  • DOI: https://doi.org/10.1039/C8RA08943D
  • 査読あり
• [雑誌論文] Critical Hammett electron-donating ability of substituent groups for efficient water oxidation catalysis by mononuclear ruthenium aquo complexes (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Watabe, Y. Tanahashi, M. Hirahara, H. Yamazaki, K. Takahashi, E. A. Mohamed, Y. Tsubonouchi, Z. N. Zahran, K. Saito, T. Yui, M. Yagi
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 58 ページ: 12716-12723
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b01623
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Facile and sustainable fabrication of transparent mesoporous IrOx films formed by nanoparticles assembly for efficient electrocatalytic water oxidation (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Chandra, T. Sato, N. Abe, K. Saito, T. Yui, M. Yagi
  • 雑誌名: Sustainable Energy Fuels 巻: 3 ページ: 3489-3497
  • DOI: https://doi.org/10.1039/C9SE00731H
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization and mechanism of efficient visible-light-driven water oxidation on an in situ N2-intercalated WO3 nanorod photoanode (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Chandra, L. Dong, T. Sato, Y. Tanahashi, T. Togashi, M. Ishizaki, M. Kurihara, E. A. Mohamed, Y. Tsubonouchi, Z. N. Zahran, K. Saito, T. Yui, M. Yagi
  • 雑誌名: ACS Sustainable Chem. Eng. 巻: 7 ページ: 17896-17906
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b04467
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Facile fabrication and nanostructure control of mesoporous iridium oxide films for efficient electrocatalytic water oxidation (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Chandra, T. Sato, Y. Tanahashi, R. Takeuchi, M. Yagi
  • 雑誌名: Energy 巻: 173 ページ: 278-289
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.02.072
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Recent advances in the development of molecular catalyst-based anodes for water oxidation toward artificial photosynthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Z. N. Zahran, Y. Tsubonouchi, E. A. Mohamed, M. Yagi
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: 12 ページ: 1775-1793
  • DOI: https://doi.org/10.1002/cssc.201802795
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 高活性酸素発生触媒開発に向けた二核ルテニウムアコ錯体群のone-pot光異性化戦略 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田万葉、金子慶太朗、佐藤大成、モハメド エマン、坪ノ内優太、ザハラン ザキ、齊藤健二、由井樹人、八木政行
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] BiVO4光アノードの簡便合成と高効率可視光駆動酸素発生反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 江尾達矢、佐藤大成、モハメド エマン、坪ノ内優太、ザハラン ザキ、齊藤健二、由井樹人、八木政行
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Fe(III)イオンの錯形成反応を用いて合成したα-Fe2O3光アノードによる高効率可視光駆動酸素発生反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 勝木友洋、佐藤大成、モハメド エマン、坪ノ内優太、ザハラン ザキ、齊藤健二、由井樹人、八木政行
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] 高平面型N4配位子鉄錯体修飾多孔性金属電極による高効率水の酸化触媒反応 (2020)
  • 著者名/発表者名: 早坂太智、佐藤大成、坪ノ内優太、モハメド エマン、ザハラン ザキ、齊藤健二、由井樹人、八木政行
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Mechanisms of pH-dependent activity for water oxidation by dinuclear ruthenium catalysts on carbon electrodes (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Tsubonouchi, Taichi Hayasaka, Yuki Wakai, Taisei Sato, Eman A. Mohamed, Zaki N. Zahran, Kenji Saito, Yui Tatsuto, Masayuki Yag
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] New development of efficient catalyst for water splitting (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yagi
  • 学会等名: International Conference on Photocatalysis and Photoenergy 2019 (ICOPP2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] C1 化学触媒システムのための酸素発生電極触媒 (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yagi
  • 学会等名: ゼロエミッションを目指したC1 化学触媒システム開発研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 酸素発生電極触媒の現状と新展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yagi
  • 学会等名: 光機能材料研究会第７４回講演会、「電極触媒によるエネルギー変換と有用化学品製造」
  • 招待講演
• [学会発表] A highly efficient transparent water oxidation catalyst toward artificial photosynthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yagi
  • 学会等名: 3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) and International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Immobilization of a Molecular Ruthenium Catalyst on Carbon Electrodes for Efficient and Stable Electrochemical Water Oxidation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Tsubonouchi, Taichi Hayasaka, Yuki Wakai, Eman A. Mohamed, Zaki N. Zahran, Kenji Saito, Yui Tatsuto, Masayuki Yagi
  • 学会等名: 3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) and International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Oxides, phosphides, and sulfides of mixed iron/nickel/tungsten as bifunctional water splitting catalysts (2019)
  • 著者名/発表者名: Zaki. N. Zahran, Eman A. Mohamed, Yuta Tsubonouchi, Kenji Saito, Tatsuto Yui and Masayuki Yagi
  • 学会等名: 3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3) and International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Highly efficient transparent water oxidation catalysts toward artificial photosynthesis (2019)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yagi
  • 学会等名: The Second International Conference of Polymeric and Organic Materials in Yamagata University (IPOMY)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナノ構造制御された酸化タングステンの光・電子機能 (2019)
  • 著者名/発表者名: 八木 政行
  • 学会等名: 第31回配位化合物の光化学討論会
• [学会発表] 光透過性混合金属酸化物の低過電圧酸素発生 (2019)
  • 著者名/発表者名: ザフラン ザキ，モハマド エマン，坪ノ内優太，齊藤健二，由井 樹人，八木政行
  • 学会等名: 2019年電気化学秋季大会
• [学会発表] 水の酸化光触媒活性に及ぼすナノワイヤーおよび六角柱酸化タングステンの臨界転移効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 曽根 和哉、立垣 優子、佐藤 太哉、棚橋 祐樹、モハマド エマン、坪ノ内 優太、ザハラン ザキ、齊藤 健二、由井 樹人、八木 政行
  • 学会等名: 2019 年光化学討論会
• [学会発表] 二核ルテニウム錯体の不可逆的架橋変換と水の酸化触媒活性に及ぼすその影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 園川 大樹、坪ノ内 優太、モハメド エマン、ザハラン ザキ、齋藤 健二、由井 樹人、八木 政行
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [学会発表] Remarkably stable electrocatalysis for water oxidation by a dinuclear ruthenium complex immobilized on carbon electrodes (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Tsubonouchi, Taichi Hayasaka, Yuki Wakai, Eman A. Mohamed, Zaki N. Zahran, Kenji Saito, Yui Tatsuto, Masayuki Yagi
  • 学会等名: 錯体化学会第69回討論会
• [図書] Photoisomerization: Causes, Behavior and Effects (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanahashi, S. Watabe, E. A. Mohamed, Y. Tsubonouchi, Z. N. Zahran, M. Hirahara, M. Yagi
  • 総ページ数: 29
  • 出版者: Nova Science Publishers
  • ISBN: 978-1-53615-313-2
• [図書] 錯体化合物辞典 (2019)
  • 著者名/発表者名: 八木政行
  • 総ページ数: 1
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4-254-14105-4 C3543