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2019 年度 実施状況報告書

光電気化学的手法による金属錯体と半導体から成る自立型人工光合成系の創出

研究課題

研究課題/領域番号 19K15673
研究機関東北大学

研究代表者

熊谷 啓  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (80761311)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワード人工光合成 / 光電気化学 / 光触媒 / 半導体 / 金属錯体 / 複合材料
研究実績の概要

本研究「光電気化学的手法による金属錯体と半導体から成る自立型人工光合成系の創出」では、光電気化学的手法を用いたボトムアップ型アプローチによって金属錯体と半導体の異種の光触媒を複合体へと機能化した集積型の光反応デバイスの開発と評価を行っている。
今年度は、主に光還元反応場(還元側光触媒)となる、水中で光触媒反応を駆動可能な金属錯体複合電極について、その高活性化を狙った光触媒材料の開発と電極構造設計を行った。電極表面での金属錯体安定化を狙い、Ru(II)トリスビピリジンタイプの光増感剤を電極へ電気化学還元によりポリマー化することによる固定化を試みた。主にCuGaO2半導体粒子からなる電極において、光還元反応に起因する光電流を数倍まで増大することに成功したほか、水溶媒中での金属錯体の脱離抑制効果も確認された。これらの電極は、金属錯体の光励起に起因する水素生成やCO2還元に活性を示し、その活性と選択性はポリマーの構造により変化した。
また、光触媒の足場となる半導体粒子の高性能化を狙い、種々の合成法や後処理を試みた。その中で、トップダウン手法として遊星ボールミルでの粉砕の条件を最適化することにより、CuGaO2半導体粒子中のCuの酸化を抑制しつつ、特性を損なうことなく数ミクロン程度あった粗大な二次粒子を、10~数100 nm程度にまで微細化できることを見出した。この粒子を用いて作製した電極に金属錯体光増感剤を吸着させて作製した光電極は、粉砕前の粒子を用いたものに比べて大きな光電流を示すことから、半導体粒子の緻密化・高表面積化により光電極の活性が向上したことが示唆された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究では、光電気化学的手法を用いたボトムアップ型アプローチによる金属錯体と半導体から成る自立型人工光合成系の実現を目指し、還元反応側(金属錯体分子)と酸化反応側(半導体)それぞれの目的反応に即した反応場(光触媒電極)の個別設計と、更にそれらの集積化による自立型デバイスの開発を目的としている。
本年度においては、全体の反応の中で特に律速のプロセスになりうる還元側反応場について、金属錯体・半導体担体の両面から開発を行い、その活性向上のための開発指針の知見を見出し、一定の進展を見た。
一方で、本年度は本研究課題初年度であるが研究代表者の異動に伴い、年度初めには研究環境の整備の必要性が生じた。また年度末においてはCOVID-19の全国的な流行により、共同研究先での出張を伴う実験や成果発表等を行うことができなくなった。これらによって生じた研究計画の遅延を鑑み、進捗は伴うものの全体としてやや遅れているとした。

今後の研究の推進方策

次年度においては、ここまでに得られた還元側反応場の高活性化への知見を深め、複合系における高効率化の指針をより詳細に検討する。特に、本年度効果が見いだされた手法を組み合わせつつ、反応性の制御と生成物の多様化を狙い触媒部の設計へと展開していく。
また、最終的な目標である集積化においては、二段階励起系の集積化を見据え、(1)光還元反応場に対し電子を供与しながら自身では水の酸化反応を駆動する光酸化反応場の開発 と
(2)集積化の検討 を進める。
これらを通して、可視光をエネルギー源、水を電子源とし駆動する自立型人工光合成系の設計指針の確立とその実現を目指す。
ただし、研究開始時に想定していた共同研究先での出張を伴う実験は、COVID-19の終息時期が不明瞭のため、代替の設備や実験手法の検討を行う可能性がある。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた物品費等を、異動後の機関の設備・工場での製作等により補うことができたため。また、COVID-19の流行により予定していた共同研究先での実験や学会参加のための出張がキャンセルとなり旅費が使用できなかったため。次年度は、本研究遂行のための物品費、あるいは成果公表のための学会参加費等の一部として使用していく予定である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Earth-Abundant Molecular Z-Scheme Photoelectrochemical Cell for Overall Water-Splitting2019

    • 著者名/発表者名
      Windle Christopher D.、Kumagai Hiromu、Higashi Masanobu、Brisse Romain、Bold Sebastian、Jousselme Bruno、Chavarot-Kerlidou Murielle、Maeda Kazuhiko、Abe Ryu、Ishitani Osamu、Artero Vincent
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 141 ページ: 9593~9602

    • DOI

      10.1021/jacs.9b02521

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 半導体および金属錯体光触媒を組み合わせた光電気化学系の開発2020

    • 著者名/発表者名
      熊谷啓
    • 学会等名
      電気化学会第87回大会
    • 招待講演
  • [学会発表] CuIMIIIO2 (M = Al, Cr, Ga) p型半導体を用いたCO2還元用分子光カソードの開発2020

    • 著者名/発表者名
      江波戸陽介,熊谷啓,石谷治
    • 学会等名
      日本化学会第100春季年会
  • [学会発表] Photoelectrochemical CO2 reduction by hybrid cells consisting of molecular and semiconductor photocatalysts2019

    • 著者名/発表者名
      Hiromu Kumagai, Ryutaro Kamata, Yasuomi Yamazaki, Masanobu Higashi, Ryu Abe, Osamu Ishitani
    • 学会等名
      International Conference on Photocatalysis and Photoenergy 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] CO2還元を志向した金属錯体と半導体から成るハイブリッド光触媒シートの開発2019

    • 著者名/発表者名
      熊谷啓, 江波戸陽介, 石谷治
    • 学会等名
      第124回触媒討論会
  • [学会発表] 粒径制御のためのBiVO4の合成法の検討およびその光触媒活性評価2019

    • 著者名/発表者名
      奥野和哉, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
    • 学会等名
      第124回触媒討論会
  • [学会発表] Improvement of activities of Z-scheme systems composed of SrTiO3:Rh and BiVO4 by deposition of two kinds of cocatalyst on SrTiO3:Rh2019

    • 著者名/発表者名
      Hong Phong Duong, Makoto Kobayashi, Hiromu Kumagai, Akihide Iwase, Akihiko Kudo, Masato Kakihana, Hideki Kato
    • 学会等名
      第124回触媒討論会
  • [学会発表] La0.5Sr0.5Ta0.5Ti0.5O2N光触媒の高活性化に向けた合成法の検討2019

    • 著者名/発表者名
      高濱太一, 斎藤高雅, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
    • 学会等名
      第124回触媒討論会
  • [学会発表] ペロブスカイト型酸窒化物のZスキーム水分解系における酸素生成光触媒への応用2019

    • 著者名/発表者名
      青柳良輔, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
    • 学会等名
      第124回触媒討論会
  • [学会発表] Enhanced CO2 Reduction by Interfacial Designing of Molecular Photocathode Modified with Metal Nanoparticles2019

    • 著者名/発表者名
      Hiromu Kumagai, Osamu Ishitani
    • 学会等名
      3rd International Solar Fuels Conference (ISF-3)/International Conference on Artificial Photosynthesis-2019 (ICARP2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] 粒子の微細化によるBiVO4光触媒の高活性化2019

    • 著者名/発表者名
      奥野和哉, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
    • 学会等名
      令和元年度公益社団法人セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
  • [備考] 東北大学多元物質科学研究所新機能無機物質探索研究センター メンバー紹介

    • URL

      http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/cenim/html/field_imct_lab_members.html#p04

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公開日: 2021-01-27  

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