Development of photocatalysts and photoelectrodes for nitrogen fixation and ammonia decomposition as artificial photosynthesis

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H01217
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Energy-related chemistry
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: KUDO AKIHIKO 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 / 金属酸化物 / 金属硫化物 / アンモニア / 窒素 / グリーン水素 / 人工光合成

Outline of Final Research Achievements

Photocatalysts and photoelectrodes were developed for decomposition of an aqueous ammonia solution and reduction of nitrogen molecules using water as an electron donor of artificial photosynthesis. Ru cocatalyst-loaded ZnS photocatalyst with a wide band gap showed the activity for the decomposition of an aqueous ammonia solution under UV irradiation. Various metal oxide and sulfide photocatalysts such as NaTaO3:Ru,La and Cu2ZnGeS4 were also developed for the decomposition of an aqueous ammonia solution under visible light irradiation by applying our original materials for water splitting to the reaction. On the other hand, NaTaO3:Sr,Ba gave NH3 by N2 reduction without any sacrificial reagents, though we were not convinced that it was a photocatalytic reaction, because the amount of NH3 obtained was very small.

Free Research Field

光触媒

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

資源・エネルギー・環境問題の解決のための科学技術として，光触媒を使った人工光合成が注目されている。ここで，アンモニアを水素キャリアとして用いる場合に，アンモニアを分解して水素を回収するプロセスの開発が必要となる。一方，窒素分子の還元反応は非常に高難度である。さらに，近年注目を集めているグリーンアンモニア合成では，常温常圧付近で水を電子源（水素源）とした窒素分子の還元反応を行うことが必須である。このように，光エネルギー変換や安定小分子の活性化という観点から，人工光合成反応としてのアンモニア分解や窒素還元は，学術的・社会的（産業的）に重要な課題である。