Improvement of Z-scheme photocatalysis based on control of electron transfer utilizing electrochemical techniques

基于利用电化学技术控制电子转移的 Z 型光催化改进

基本信息

批准号：
21K05240
负责人：
熊谷啓
金额：
$ 2.66万
依托单位：
The University of Tokyo (2022)Tohoku University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題「電気化学を活用した電子伝達制御に基づくZスキーム型光触媒系の機能向上」では、半導体光触媒を用いた可視光照射下における2光子励起（Zスキーム）によるエネルギー蓄積型の反応において、活性・機能向上のボトルネックと想定される光触媒間の光励起電子の伝達過程にフォーカスし、熱力学的な制御による系統的な知見を得るとともに、電気化学手法による速度論的な解析制御手法の開発と評価を行っている。今年度は、水中で駆動するZスキーム型反応の電子伝達過程を電気化学手法を用いて観測するため、回転リングディスク電極を応用した拡散制御型の新規観測手法の開発を行った。水分解反応を駆動する代表的な可視光応答の半導体光触媒と電子伝達剤を用い、拡散制御環境下における光触媒反応の進行を電流として観測し、反応速度の直接的な評価を試みた。光触媒粒子を電極上に固定した状態で、可逆な電子伝達剤としてコバルトトリスビピリジンタイプの錯体を用いて、拡散を電極回転数によって制御しながら光触媒反応評価を行った。リング電極部において、光触媒反応の進行に伴う水素の生成と電子伝達剤の消費に由来すると考えられる電流値変化が観測されたことから、反応の進行を検出できることを確認した。光の強度などの反応条件を変化することで電流値が変化することも確認できた。したがって、本手法によって拡散制御環境下における反応速度を電流として定量的に評価しうることが示された。

本研究主题“基于电化学电子转移控制提高 Z 型光催化系统的功能”，重点研究在可见光照射下使用半导体光催化剂进行双光子激发（Z 型）的能量存储反应。光催化剂之间光激发电子的过程被认为是提高活性和功能的瓶颈，我们将通过热力学控制获得系统知识，并使用电化学方法开发动力学分析控制方法，我们正在进行评估。今年，为了利用电化学技术观察水中驱动的Z型反应的电子转移过程，我们开发了一种新的使用旋转环盘电极的扩散控制观察方法。使用典型的可见光响应半导体光催化剂和驱动水分解反应的电子转移剂，我们在扩散控制的环境下以电流形式观察光催化反应的进展，并尝试直接评估反应速率。将光催化剂颗粒固定在电极上，使用三联吡啶钴型络合物作为可逆电子转移剂，同时通过电极旋转速度控制扩散，评价光催化反应。经证实，可以通过观察环形电极处的电流值的变化来检测反应的进展，这被认为是由于随着光催化反应的进行氢气的产生和电子转移剂的消耗。还证实了电流值随着光强度等反应条件的变化而变化。因此，表明可以使用该方法将扩散控制环境中的反应速率定量评估为电流。