| 研究課題/領域番号 |
19K05502
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
小澤 弘宜 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30572804)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 水分解 / 錯体触媒 / 二酸化チタン |
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| 研究実績の概要 |
今年度は、ノンバイアスでの光化学的な水の完全分解を駆動する分子性光電気化学セルの開発に向けた第一歩として、電気化学的な水の完全分解(水をモル比2:1で水素と酸素に分解する反応)を駆動する分子性電気化学セルの開発に取り組んだ。初めに、白金ポルフィリン水素生成触媒を修飾したTiO2電極(FTO/TiO2/PtP-py電極)、およびコバルトポルフィリン酸素生成触媒を修飾したTiO2電極(FTO/TiO2/CoP-py電極)を作製し、様々なpH条件下においてそれぞれの触媒機能の評価を行った。その結果、FTO/TiO2/PtP-py電極による水素生成触媒反応、およびFTO/TiO2/CoP-py電極による酸素生成触媒反応がpH 9において効率良く進行し、そのファラデー効率はいずれもほぼ定量的であることが判明した。
次に、FTO/TiO2/CoP-py電極をアノード、FTO/TiO2/PtP-py電極をカソードに用いた分子性電気化学セルによる電気化学的な水の完全分解について検討を行った。本分子性電気化学セルは、pH 9において両極間に2.2 Vの電圧を印加すると、水の完全分解が非常に効率良く進行し、そのファラデー効率は非常に高いことが明らかなった。触媒反応後においても、各触媒の分解等は確認されなかったことから、水の完全分解が分子性触媒によって促進されていることが明らかとなった。本分子性電気化学セルは、分子性触媒修飾電極を用いて水の完全分解に成功した初めて例であり、本研究課題の目的達成に向けた重要な成果である。
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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
本研究課題は、ノンバイアスでの光化学的な水の完全分解を駆動する分子性光電気化学セルの開発を目的としている。今年度は、目的達成の第一歩として、電気化学的な水の完全分解(水をモル比2:1で水素と酸素に分解する反応)を駆動する分子性電気化学セルの開発に取り組んだ。分子性電気化学セルによる電気化学的な水の完全分解が効率良く進行するためには、同一のpH条件において、水素生成反応および酸素生成反応を効率良く駆動できる分子性触媒を開発することが必要不可欠である。これまでに我々が開発した白金ポルフィリン水素生成触媒、およびコバルトポルフィリン酸素生成触媒を修飾したTiO2電極を用いて様々なpH条件下における触媒機能の評価を行ったところ、pH 9において両触媒による触媒反応が効率良く進行することが明らかとなった。さらに、FTO/TiO2/CoP-py電極をアノード、FTO/TiO2/PtP-py電極をカソードに用いた分子性電気化学セルによる電気化学的な水の完全分解においては、両極間に2.2 Vの電圧を印加すると、水の完全分解が非常に効率良く進行することも明らかとなった。
一方、TiO2伝導帯からの逆電子移動を抑制することを目的としたスペーサー導入型酸素生成触媒の合成にも取り組んだ。本年度は、スペーサーを持たない酸素生成触媒、およびフレキシブルなスペーサーを導入した酸素生成触媒の合成を行った。今後、様々なスペーサーを導入した酸素生成触媒の合成を行い、それらと色素分子を用いた光酸素生成触媒機能の評価を行なうことによって、TiO2伝導帯からの逆電子移動の抑制に対して最適なスペーサー構造を明らかにしていく計画である。
以上の通り、本研究課題の進捗状況は順調であると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度開発に成功した分子性電気化学セルは、電気化学的な水の完全分解反応を効率良く駆動できるものの、両極間に2.2 Vという比較的大きな電圧の印加を必要とする。この理由は、白金ポルフィリン触媒による水素生成触媒反応の駆動には60 mV以下という僅かな過電圧で充分であるのに対し、コバルトポルフィリン触媒による酸素生成触媒反応の駆動には540 mV以上という比較的大きな過電圧を必要とするためである。従って、本分子性電気化学セルによる電気化学的な水の完全分解に必要となる印加電圧を小さくするためには、より小さな印加電圧で酸素生成触媒反応を駆動することができる酸素生成触媒の開発が必須である。
そこで次年度は、コバルトポルフィリン触媒よりも小さな過電圧で酸素生成触媒を駆動できることが知られているルテニウム(bda)型触媒を用いて研究を進めていく計画である。ルテニウム(bda)型触媒においても、TiO2伝導帯からの逆電子移動を抑制することを目的としたスペーサー導入型ルテニウム(bda)型触媒の合成を行う計画である。
一方、ノンバイアスでの光化学的な水の完全分解を駆動する分子性光電気化学セルの開発に向けて、上述のスペーサー導入型ルテニウム(bda)型酸素生成触媒と、ポリピリジルルテニウム錯体色素をTiO2表面に共吸着させた酸素生成フォトアノードの作製と触媒機能評価も進める計画である。ルテニウム(bda)型酸素生成触媒における最適スペーサー構造の探索、およびポリピリジルルテニウム錯体色素の酸化還元電位のコントロールなどを行なうことによって、次年度中に光酸素生成触媒反応を効率良く駆動することができる酸素生成フォトアノードの開発を終えたいと考えている。
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