2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of photocatalysts and photoelectrodes for nitrogen fixation and ammonia decomposition as artificial photosynthesis
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17H01217
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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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)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光触媒 / アンモニア分解 / 窒素 / 水素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固相法（SSR）で調製されたIrドーピングSrTiO3光触媒（SrTiO3:Ir光触媒）が約700 nmまでの光を利用してアンモニア水溶液の分解に活性を示すことを報告してきた．しかしその光触媒活性は低く，更なる高活性化が望まれていた．ここで，高活性化の手法の1つとして，錯体重合法（PC）による光触媒の調製が挙げられる．そこで本年度は，主に錯体重合法で調製されたSrTiO3:Irを用いたアンモニア水溶液の分解について調べた．
XRDにより，PCで調製されたSrTiO3:Irはほぼ単一相で得られていることがわかった．またDRSにより，SrTiO3:IrはIr未ドープ体には見られないIr4+に由来する可視光領域の吸収が確認された．さらに走査型電子顕微鏡観察およびBET表面積測定から，PCで調製されたSrTiO3:IrはSSRで調製されたものと比較して微結晶かつ高比表面積であることがわかった．次にアンモニア水溶液の分解を行ったところ，PCで調製されたものはSSRで調製されたものより高い活性を示した．また，PCで調製された本光触媒を用いても，700 nmまでの光に応答して進行することが確認された．以上のことから，光触媒調製法にPC法を用いることで，SrTiO3:Ir光触媒を用いた可視光照射下におけるアンモニア水溶液の分解の高活性化に成功した．
水分解およびアンモニア分解に活性を示すいくつかの新規光触媒を開発できた．
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．反応条件などをいろいろと検討したが，現時点では光触媒的な窒素還元によるアンモニア生成は確認できていない．
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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
光触媒合成方法として錯体重合法を用いることにより，アンモニア水溶液の分解に700 nmまでの可視光を利用できる金属酸化物光触媒SrTiO3:Irの高活性化に成功した．このことから，他のアンモニア分解光触媒においても，錯体重合法を用いることにより高活性化できることが期待できることがわかった．また，水分解およびアンモニア分解に活性を示すいくつかの新規光触媒を開発できた．ここで開発された水分解光触媒はアンモニア水溶液の分解にも展開できると期待される．一方，最難関反応である窒素分子の還元反応に関しては，未達である．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，可視光応答性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や半導体光電極を開発して行く．特に，昨年度開発した新たなドーピング型および価電子帯制御型可視光応答性水分解光触媒や，それらの光触媒材料を用いた半導体光電極を中心に検討する．さらに，粉末光触媒および半導体光電極上に担持するアンモニア酸化に活性な助触媒の探索も行う．活性を示した光触媒や半導体光電極に対して，アクションスペクトルを測定し，さらに疑似太陽光を用いて活性評価を行う．また，実用化を見据えて，高濃度アンモニア水や，気相のアンモニアと水蒸気の反応を試みる．そのための光触媒や光電極反応装置を設計開発する．
光触媒や半導体光電極を用いたアンモニア分解では分子状窒素（N2）が生成する一方，さらに酸化された亜硝酸や硝酸が生成する可能性がある．そこで，その逆反応である亜硝酸や硝酸の還元による分子状窒素やアンモニア生成反応も検討する．粉末光触媒と並行して，酸化反応では光アノード，還元反応では光カソードを用いて検討する．
最終年度であることから，得られた成果に基づき，これらのアンモニア，分子状窒素，硝酸のなどの窒素からなる小分子の光触媒反応および半導体光電気化学反応を総括および俯瞰する．それにより光触媒および半導体光電極を用いた人工光合成や水素キャリア分解への実用的可能性を検討していく．
未達の窒素分子の還元反応の研究を加速する．粉末光触媒や半導体電極を用いた光電気化学的な窒素分子の還元反応についても検討を引き続き行う．高い伝導帯およびp型半導体特性を有する金属酸化物および硫化物からなる粉末光触媒および光カソード電極を作製し，窒素還元の可能性を検討する．
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