2016 Fiscal Year Annual Research Report
可視光駆動型燃料電池における高性能プラズモン増強電極触媒酸化の開発
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15F15346
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
真嶋 哲朗 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (00165698)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ZHU MINGSHAN 大阪大学, 産業科学研究所, 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2015-11-09 – 2018-03-31
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| Keywords | 可視光応答型光触媒 / 太陽光エネルギー変換 / 水素発生 / 電荷移動 / 黒リン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素を、再生可能な自然エネルギーである太陽光と地球上に豊富に存在する水から効率的に製造できれば、現在の化石燃料社会から水素をエネルギー源とする水素社会への移行が現実のものとなる。現在の太陽光エネルギー（主に太陽光電池）のコストは化石燃料に比較して高価なため、十分に広まっていない。そこで、太陽光エネルギーを利用して水素を高効率に製造できる光触媒の開発が望まれている。しかしながら、従来の光触媒では、広帯域の太陽光の４％にすぎない紫外光を利用するため、変換効率が低いという問題があった。太陽からの光は可視光44％、近赤外光52％でによって駆動し、光触媒の開発が望まれている。
これまで酸化チタンに代表される紫外光応答型光触媒や、可視光に吸収をもつ物質を光触媒と複合させたり、あるいは、光触媒中に他の元素をドープさせることによって可視光の吸収によって駆動する光触媒が開発されてきたが、まだ十分高いエネルギー変換効率が達成されていない。また、近赤外光の吸収によって駆動する光触媒の例は少なく、特に、近赤外光応答型光触媒による水からの水素生成については、まだほとんど研究例がなかった。
本研究では、黒リン（BP）、金ナノ粒子、チタン酸ランタンとの三成分からなる可視光・近赤外光応答型光触媒を開発し、水からの水素の高効率生成に成功した。超薄膜BP、層状のチタン酸ランタン（La2Ti2O7）、数ナノメートルのサイズの可視光にも吸収をもつ金ナノ粒子との三成分からなる複合体を合成した。この複合体において、BPが可視光・近赤外光に応答する光増感剤として働き、また、金ナノ粒子が可視光に応答する光増感剤として働き、励起電子がチタン酸ランタンに移動し、プロトンの還元により水からの水素生成が効率よく起こることを世界で初めて明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で、新しく開発した厚さ200 nm - 1 μmの超薄膜である黒リン(BP)、金ナノ粒子、同じく100 nm程度の厚さの超薄膜であるチタン酸ランタンの複合体を光触媒として使用することによって、太陽光からの広帯域波長光を利用して、水からの水素製造が可能になった。得られた研究成果は、この分野のトップジャーナルである、Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2064に、Hot Paperとして掲載された。
次に、BPに、還元型グラフェン酸化物(reduced graphene oxide (RGO))と白金ナノ粒子の3成分複合体に、可視光(>420 nm)および近赤外光(>780 nm)を照射すると、水の分解によって水素が生成することを見出した。この複合体では、BPは可視光および近赤外光の吸収により、RGOへの電子注入を起こし、RGOは電子媒介剤、白金ナノ粒子は助触媒として機能していることがわかった。この結果は、現在原著論文として学術誌に投稿中である。
さらに、ともに2Dナノ構造体である、厚さ200 nm - 1 μm のBPと50-100 nm のWS2の２成分複合体(BP-WS2)に、ホール犠牲試薬EDTAの存在下で、可視光および近赤外光を照射すると、水の分解によって水素が生成することを見出した。水素生成効率は2.3-3.8 mmol g-1 h-1とまだ十分ではないが、このBP-WS2では、貴金属を全く使用しないので、可視・近赤外光で駆動する、安価、安全、高効率の光触媒である。この結果は、現在原著論文として学術誌に投稿中である。
このように、本研究は次々に重要な結果が得られていて、原著論文として世界のトップジャーナルに掲載されていて、本研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在まで、多くの半導体が水の分解による水素発生の光触媒として開発されてきた。しかしながら、水素発生の量子収率が極端に低いのが現状である。これは、電子―ホール再結合過程が優先的に進行することにより、この過程を抑制するために、ホール捕捉用の犠牲試薬を添加し、また、白金などの貴金属ナノ粒子を助触媒として使用して、水の分解による水素発生の光触媒反応を起こすことができる。高価な白金の使用は、水の分解による水素発生の光触媒の実用化、工業化における大きな問題であり、解決すべき最重要課題となっている。すなわち、高価な貴金属を使用するのではなく、安価で安定・安全な助触媒を見出し、しかも高効率的な水素発生の光触媒反応の開発が求められている。そこで、我々は、BPとのナノ複合化が可能な、白金以外の安価で安定・安全な助触媒を探索する。その過程において、フェムト秒レーザーフラッシュフォトリシスなどの速度論的測定方法や、単一粒子蛍光顕微鏡を使用して単一粒子レベルでの解析法を駆使して、BPと電荷移動媒体、助触媒との界面の電荷分離、電荷移動についての詳細を明らかにし、反応条件の最適化を図る。
BPとのナノ複合化光触媒としてこれまでに既に、BP-チタン酸ランタン（La2Ti2O7）-金ナノ粒子の３成分系、BP-RGO-白金ナノ粒子の３成分系、BP- WS2の２成分系などを検討してきた。今後、さらに、BP-グラフィン性C3N4の２成分系ついて検討する。この２成分複合体では、BPとグラフィン性C3N4はともに2D超薄膜材料であり、両者の良好な界面を構築することによって界面での電子移動が効率よく進行し、結局、BP からの電子がC3N4の触媒サイトに移動することによって、水の分解による水素が生成する。この２成分複合体は、完全金属フリーの光触媒であり、環境問題、エネルギー問題の解決につながることが期待される。
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Research Products
(5 results)
