2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of photocatalysts and photoelectrodes for nitrogen fixation and ammonia decomposition as artificial photosynthesis
| Project/Area Number |
17H01217
|
|---|
| Research Institution | Tokyo University of Science |
|---|
Principal Investigator |
工藤 昭彦 東京理科大学, 理学部第一部応用化学科, 教授 (60221222)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 光触媒 / 助触媒 / アンモニア / 窒素 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに，CdS光触媒にRu助触媒を担持することにより，可視光照射下でのアンモニア水溶液の分解反応が進行することを初めて見いだした。しかし，アンモニアの酸化サイトとして働くと考えられるRu助触媒の状態は明らかではなかった。そこで，高エネ研との共同研究によりRu助触媒のX線吸収端スペクトルを測定したところ，RuS2の状態になっていることが明らかとなった。これにより，RuS2が金属硫化物光触媒を用いたときのアンモニアの酸化に効果的な助触媒であることが明らかとなった。
アンモニア水溶液の分解に対して可視光で働く化学的に安定な金属酸化物光触媒の開発も行った。その結果，Ir単独ドーピング，またはIrとSr，Ba，Laを共ドーピングしたペロブスカイト構造を有するAMO3 (A = Na, K; M = Nb, Ta)光触媒を活性を示すことを見いだした。Ir単独ドーピング体ではKTaO3:Ir，共ドーピング体ではNaTaO3:Ir(1%),La(4%)がもっとも高い活性を示した。X線回折の測定により，これらのドーパントが結晶格子内に置換されていることが確認された。また，拡散反射スペクトル測定から，これらのドーパントが形成するバンドギャップ内の電子ドナーレベル（不純物準位）からホストであるペロブスカイト酸化物の伝導帯への光電子励起により，可視光照射下で反応することが確認できた。
窒素分子の還元反応に関しては，伝導帯のポテンシャルが高く還元力の大きい水分解Ta系複合酸化物を中心にRu助触媒を担持した粉末光触媒を用いて検討した。その結果，若干のアンモニアが検出されたが，今後コントロール実験や高活性化を行い，真の光触媒反応であるかを検証する必要がある。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
アンモニア酸化に活性な助触媒についての新たな知見が得られたため，これを他の光触媒にも適用できるという汎用性が期待される。また，独自の設計指針によりアンモニア水溶液の分解に可視光照射下で活性な新たな金属酸化物光触媒を開発でき，光触媒ライブラリーを充実させることができた。また，これまで行ってきた光触媒設計指針をさらに展開できる見通しがついた。しかし，最難関反応である窒素分子の還元反応に関しては，確かに反応が進行しているとは言い難い状況であり，さらなる検討が必要である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，今まで確立してきた設計指針に基づき，金属硫化物および酸化物を中心にアンモニア水溶液分解のための光触媒ライブラリーを充実を図っていく。さらに，半導体電極を用いたアンモニア水溶液の分解も行なっていく。粉末光触媒を用いた窒素分子の還元反応に対しては，まずは適当な犠牲試薬（電子ドナー）を用いた反応で，活性評価を行う。また，気相光触媒反応に着手する。一方，半導体電極を用いた電気化学的な窒素分子の還元反応についても検討を続ける。
|
