| 研究課題/領域番号 |
19J21858
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
岡崎 めぐみ 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 第一遷移金属酸化物 / 酸化チタン / 酸化コバルト / 金ナノ粒子 / ルテニウム錯体 / 光生成電子ポテンシャル / 光電気化学測定 / 水の可視光分解反応 |
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| 研究実績の概要 |
本年度はまず、第一遷移金属酸化物ナノ粒子を担持した酸化チタン粉末による水の光酸化系の構築を実行した。過去の研究結果から、酸化コバルト担持酸化チタン粉末は、広域可視光を利用した水の酸化光触媒として作用することを明らかとしていた。この光触媒反応は表面ナノ粒子と酸化チタン担体との電子的な相互作用によって進行していると考えられている。そのためコバルト以外の金属でも同様の作用が生じる可能性があり、他の第一遷移金属を使った酸化チタン粉末を合成した。その結果、合成したすべての試料において広域可視光を吸収することが確認された。一方、酸化コバルト担持酸化チタンよりも高活性な光触媒を得ることはできなかった。表面ナノ粒子の水に対する酸化力を定量的に調査したところ、コバルトが突出して高い能力を持っていたことから、表面ナノ粒子の水に対する酸化触媒能が光触媒活性に大きな影響を与えていることが明らかとなった。
次に、水の酸化用ナノ粒子助触媒の電子ポテンシャルの見積もり手法の確立も試みた。表面担持された金属酸化物種の「水に対する酸化力」をより定量的に理解するため、ルテニウム錯体を使った水の光化学的な酸化反応による手法を設計し、その確立に成功しつつある。
さらには金ナノ粒子担持酸化チタン光電極に対し、酸化コバルト助触媒の位置選択的光析出による高性能化にも取り組んだ。本研究は北海道大学電子科学研究所の三澤研究室との共同研究の一環で行われた。金担持酸化チタン電極は、長波長領域の可視光を利用した光アノード電極として作用する。しかし、光生成励起種の寿命が非常に短いことによる、水の酸化反応効率の低下が問題点となっていた。そこで、水の酸化反応活性点と考えられている酸化チタン上の金ナノ粒子の外周に対して、光電気化学的な手法で酸化コバルト助触媒を位置選択的に修飾した。その結果、従来と比較して3倍程度の性能向上に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
第一遷移金属酸化物ナノ粒子担持酸化チタンを用いた水の光酸化系の構築に関しては、当初の計画にあった第一遷移金属酸化物ナノ粒子の最適化を完了し、国内外の学界で複数回発表を行った。また、アメリカ化学会のJournal of Physical Chemistry C誌に筆頭著者として論文も出版した。
表面担持金属酸化物種の光生成電子ポテンシャルの見積もり手法は、当初の計画では2年目までに手法の確立を行い、応用を行うとしていたが、現時点でほぼ確立が完了しており、計画よりも早いペースで進行している。
金ナノ粒子担持酸化チタン光電極を用いた酸化コバルト助触媒の位置選択的担持は、当初の計画には記載していない内容ではあるものの、その手法の確立に成功し、かつ光電極の高性能化も実現した。この結果は既に論文としてまとめており、現在国際学術誌に投稿中である。
したがって、当初の計画にあった研究内容に限らず、その発展や他のテーマに関しても取り組んでおり、かつ論文出版・学会発表を積極的に行っていることから、当初の計画以上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 |
今後の方針として、まずは表面担持金属酸化物種の光生成電子ポテンシャルの見積もり手法を完遂する。現時点では酸化コバルトナノ粒子に対してのみ、見積もりがほぼ完了している状態であるが、他の金属酸化物種に対する見積もりはまだ行っていない。そのため、複数種類の金属酸化物種を用いることによって、見積もり手法の精度・確度共に上げる必要があると考えている。
次に金属酸化物ナノ粒子担持ワイドギャップ半導体を用いた水の完全分解反応を達成するため、担体であるワイドギャップ半導体の効果について詳細な検討を行う。具体的には、酸化チタンよりも水に対する還元力が強いと期待されるチタン酸ストロンチウムを用い、さらにはナノ粒子化した結晶を使用することによって、水の完全分解反応を試みる。
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