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2020 年度 実績報告書

高活性結晶面への選択的な助触媒担持による高活性可視光応答水分解光触媒の創製

公募研究

研究領域光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光ー物質変換系の創製
研究課題/領域番号 20H05115
研究機関東京理科大学

研究代表者

根岸 雄一  東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (20332182)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
キーワード水分解光触媒 / 可視光応答 / 高活性化 / 助触媒
研究実績の概要

環境に優しいエネルギー源である水素の製造手段として、水と太陽光からのみ水素を得られる水分解光触媒の利用が期待されている。このような光触媒の高活性化には、活性サイトとなる助触媒と呼ばれる金属微粒子を担持することが有用である。しかし、一般的な電着法や含浸法といった担持法では助触媒の大きさや組成の微細領域での制御は困難である。一方で、金属ナノクラスター(NC)は、金属コアの組成や配位子の組み合わせを制御しながら精密に合成することが可能であり、これを助触媒前駆体に用いることで均一な助触媒のサイズ制御が可能となる。本研究では白金(Pt)NCを助触媒前駆体に用いることで、1 nm程度の白金粒子を光触媒(g-C3N4)に担持することで、活性の向上を目指した。実験では、ポリオール還元法によりPt NCを合成した。トルエン中で撹拌することで、Pt NCをg-C3N4上に吸着させ、焼成により配位子を除去した(Pt NC/g-C3N4)。得られた光触媒の評価は粉末X線回折(XRD)、透過型電子顕微鏡(TEM)、X線吸収微細構造(XAFS)解析等を用いた。Pt NC/g-C3N4のTEM像から、本手法では1.2 nmの粒子が光触媒に担持されていることが明らかとなった。また、X線吸収端近傍(XANES)スペクトルより、含浸法(Pt(含浸)/g-C3N4)や光電着法(Pt(光電着)/g-C3N4)で作製した場合に比べて、本手法で担持したPt NCは金属的な状態で担持されていることが示唆された。Pt NC/g-C3N4は、Pt(含浸)/g-C3N4やPt(光電着)/g-C3N4に比べ、それぞれ23倍と11倍も高い活性を示した。このような活性の向上は、Pt NCの1) 微細化による活性サイトの増加と、2) 特異な電子状態に伴うプロトン吸脱着エネルギーの変化によって生じたと考えられる。

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

本課題研究では、可視光応答水分解光触媒の創製を目的としている。本年度にて既に、最先端可視光応答水分解光触媒の一つであるg-C3N4については高活性化に成功した。このことから、現在までの達成度を「当初の計画以上に進行している」と自己評価した。

今後の研究の推進方策

助触媒の電子/幾何構造と水分解活性の相関を解明することで、高活性化へのキーファクターを明らかにするとともに、可視光応答水分解光触媒の更なる高活性化の創出に取り組む。具体的には、担持金属クラスターの電子/幾何構造を明らかにする。電子構造については、拡散反射分光などを利用する。常温下での測定では、振動励起に起因して、多くの遷移が重なった複雑かつブロードなピークを有するスペクトルのみが得られる。本研究では、低温(10 K)にて測定を行うことで、スペクトルのブロード化を抑え、電子構造の詳細の観測を実現する。また、広域X線吸収微細構造解析により、担持金属クラスターの電荷状態の詳細や幾何構造に関する情報を得る。こうした放射光実験については、それらを得意とするB02班の野澤准教授らと連携しながら研究を進める。また、得られたスペクトルを本領域の理論研究者と協力しながら解析することで、電子状態に関する深い理解を得ることを目指す。こうして得られた情報をつきあわせることにより、担持金属クラスターの化学組成及び電子/幾何構造と水分解光触媒活性の相関を明らかにするとともに、そうした情報より、活性向上に対するキーファクターを炙り出す。こうして得られた知見をもとに、高活性化に適した合金クラスターを創案・合成し、再度、一連の実験を行う。これらの一連の実験を繰り返すことで、可視光応答水分解光触媒の飛躍的な高活性化を実現する。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (12件)

  • [雑誌論文] Creation of Active Water-splitting Photocatalysts by Controlling Cocatalysts Using Atomically Precise Metal Nanoclusters2021

    • 著者名/発表者名
      T. Kawawaki,Y. Kataoka, S. Ozaki, M. Kawachi, M. Hirata, Y. Negishi
    • 雑誌名

      Chem. Commun

      巻: 57 ページ: 417-440

    • DOI

      10.1039/D0CC06809H

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Thiolate-Protected Metal Nanoclusters: Recent Development in Synthesis, Understanding of Reaction, and Application in Energy and Environmental Field2021

    • 著者名/発表者名
      T. Kawawaki, A. Ebina, Y. Hosokawa, S. Ozaki, D. Suzuki, S. Hossain, Y. Negishi
    • 雑誌名

      Small

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1002/smll.202005328

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photo/electrocatalysis and Photosensitization Using Metal Nanoclusters for Green Energy and Medical Applications2020

    • 著者名/発表者名
      T. Kawawaki, Y. Negishi, H. Kawasaki
    • 雑誌名

      Nanoscale Adv

      巻: 2 ページ: 17-36

    • DOI

      10.1039/C9NA00583H

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Understanding and Designing One-Dimensional Assemblies of Ligand-Protected Metal Nanoclusters2020

    • 著者名/発表者名
      S. Hossain, Y. Imai, Y. Motohashi, Z. Chen, D. Suzuki, T. Suzuki, Y. Kataoka, M. Hirata, T. Ono, W. Kurashige, T. Kawawaki, T. Yamamoto, Y. Negishi
    • 雑誌名

      Mater. Horizon

      巻: 7 ページ: 796-803

    • DOI

      10.1039/C9MH01691K

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Activation of Water-Splitting Photocatalysts by Loading with Ultrafine Rh-Cr Mixed-Oxide Cocatalyst Nanoparticles2020

    • 著者名/発表者名
      W. Kurashige, Y. Mori, S. Ozaki, M. Kawachi, S. Hossain, T. Kawawaki, C. J. Shearer, A. Iwase, G. F. Metha, S. Yamazoe, A. Kudo, Y. Negishi
    • 雑誌名

      Angew. Chem., Int. Ed

      巻: 59 ページ: 7076-7082

    • DOI

      10.1002/anie.201916681

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanistic Study of Silane Alcoholysis Reaction with Self-Assembled Monolayer-Functionalized Gold Nanoparticle Catalysts2020

    • 著者名/発表者名
      K. Isozaki, T. Taguchi, K. Ishibashi, T. Shimoaka, W. Kurashige, Y. Negishi, T. Hasegawa, M. Nakamura, K. Miki
    • 雑誌名

      Catalysts

      巻: 10 ページ: 908

    • DOI

      10.3390/catal10080908

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Increase in CO2 Reduction Rate via Optical Near-Field Effect2020

    • 著者名/発表者名
      T. Yatsui, Y. Nakamura, Y. Suzuki, T. Morimoto, Y. Kato, M. Yamamoto, T. Yoshida, W. Kurashige, N. Shimizu, Y. Negishi, K. Iida, K. Nobusada
    • 雑誌名

      J. Nonophotonics

      巻: 14 ページ: 046011

    • DOI

      10.1117/1.JNP.14.046011

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 白金ナノクラスター助触媒担持による可視光応答水分解光触媒の高活性化2021

    • 著者名/発表者名
      根岸雄一
    • 学会等名
      東京理科大学 研究推進機構 総合研究院 界面科学研究部門 2020 年度報告会
  • [学会発表] 光誘起金属ナノクラスター合成による単結晶生成制御法の確立2020

    • 著者名/発表者名
      加藤竣 細川泰長 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      ナノ学会第18回大会
  • [学会発表] チオラート保護金25量体クラスターと半導体触媒における界面の調査2020

    • 著者名/発表者名
      平田桃子 片岡祐紀 川脇徳久 藤木裕宇 平山純 山添誠司 根岸雄一
    • 学会等名
      ナノ学会第18回大会
  • [学会発表] 微細な金属酸化物粒子の助触媒効果による光触媒メタン-メタノール変換反応の促進2020

    • 著者名/発表者名
      岩松侑輝 船木壮太 平山純 川脇徳久 山添誠司 根岸雄一
    • 学会等名
      第71回コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] LC/MSによる新規合金ナノクラスター生成メカニズムの解明2020

    • 著者名/発表者名
      海老名彩乃 堀畑洸 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      日本分析化学第69年会
  • [学会発表] サイズ制御された白金クラスターの簡便な合成法の確立とそれらの酸素還元能の評価2020

    • 著者名/発表者名
      舩井香菜子、清水暢之、川脇徳久、根岸雄一,
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
  • [学会発表] LC/MSを用いた合金クラスターの配位子交換反応における反応追跡2020

    • 著者名/発表者名
      堀畑洸 海老名彩乃 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
  • [学会発表] サイズ制御された微小Ptナノクラスター助触媒を用いた可視光応答水素生成光触媒の創製2020

    • 著者名/発表者名
      川地正将 小崎周平 矢崎大地 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
  • [学会発表] 複数配位子を用いたAgクラスター合成における構造形成メカニズムの解明2020

    • 著者名/発表者名
      小林いぶき 堀田佑介 SakiatHossain 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
  • [学会発表] サイズ制御されたPtナノクラスター助触媒担持による可視光応答水素生成水分解光触媒の高活性化2020

    • 著者名/発表者名
      川地正将 小崎周平 矢崎大地 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      光機能材料研究会第25回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」
  • [学会発表] サイズ制御されたPtナノクラスター助触媒担持による可視光応答水素生成水分解光触媒(g-C3N4)の高活性化2020

    • 著者名/発表者名
      川地正将 小崎周平 矢崎大地 川脇徳久 根岸雄一
    • 学会等名
      新学術領域「革新的光-物質変換」第一回若手交流オンラインセミナー
  • [学会発表] 精密合金クラスター利用による助触媒の一原子置換効果の解明2020

    • 著者名/発表者名
      片岡祐紀 川脇徳久 山添誠司 工藤昭彦 根岸雄一
    • 学会等名
      新学術領域「革新的光-物質変換」第一回若手交流オンラインセミナー

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公開日: 2021-12-27  

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