| 研究課題/領域番号 |
21K04692
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
渡邊 源規 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 准教授 (60700276)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 光触媒 / ナノシート / 色素増感 / 水素生産 / 可視光応答 |
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| 研究実績の概要 |
光触媒による水分解変換効率を向上するためにナノシート材料が注目されている。1-2nm厚みで形成されるナノシートは、バルク材料に比べその構造に由来し電荷が表面のみで移動し、表面積の増加によるフォトン吸収増大と、光生成した電子が正孔と再結合する前に速やかに反応サイトに移動し光触媒反応する。分散型ナノシートは高い光触媒活性が期待されるが、ナノシートの表面が負電荷を有するため、負電荷を有するカルボキシル基等をアンカーとした有機材料は担持が困難であり、既報はナノシートを再積層させ電荷を補償した構造を用いている。初年度は①HCa2Nb3O10ナノシートの作製②触媒活性の向上のため、水素生産シングルサイトとしてロジウムドープ③剥離剤色素の合成を行った。①と②に関しては既報に従い合成を行い、ナノシートの合成をXRD、AFMで確認した。また犠牲剤の存在下、水分解水素生成速度がバルク体よりもナノシート構造が向上したことからも①と②の達成を確認した。これらナノシートに担持するための色素としてボロンジピロメテン（BODIPY）骨格を選定し、この構造に剥離部位としてアルキル鎖を、ナノシートへの担持部位としてピリジル基を修飾した分子を合成した。ピリジル基をヨードメタンで処理しカチオン体としたBODIPYをHCa2Nb3O10バルクあるいはHCa2Nb3O10ナノシート（テトラブチルアンモニウムカチオン分散剤複合体）に加え水溶液中で超音波処理を１週間行うと、XRDにより剥離構造または色素がインターカレーションされた構造が確認できた。しかしながら完全な剥離構造の形成に至っているかはわからず、現在、ポルフィリンなど他類似構造との比較による検討を行っている。
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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
初年度はナノシートの作製と色素の合成をお行う予定であったが、予定に加えてロジウムドープナノシートの作製と、色素担持の効果まで検討することができている。これは当初、二年次の予定内容と考えていたため、おおむね順調に進展していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
触媒活性の向上には助触媒の担持が有効であるが、剥離したナノシートへの助触媒担持は表面の色素が阻害部位となる。これを克服するため、水素生産シングルサイトとしてロジウムドープに成功したので、白金源としてH2PtCl6を用い、シングルサイトへの白金選択担持による分散型色素担持ナノシートへの助触媒担持を狙い、反応活性の向上を行う。光触媒への色素の担持量の確認を分光法や、赤外分光とX線光電子分光により行う。電子顕微鏡によりナノシートの厚み(AFM)と形状(TEM)の解析を行う。HCa2Nb3O10はバンドギャップが3.5Vの紫外光応答材料であるため、色素の可視光領域を選択的に励起できる。具体的にはHCa2Nb3O10は伝導帯のポテンシャルが-0.5V (vs NHE,pH=0)である。申請者の有機色素は（-1.0～-0.6V vs NHE）と考えられ、色素→ナノシートへの光誘起電子移動が可能である。水素生産量（TCD-GC測定）とナノシート構造・色素担持量の比較を行う。
また、色素はBODIPY色素に加えて、ポルフィリン色素も合成し、担持状態と活性について比較を行う。
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