Study on the photoelectrochemical process for the conversion of small molecules in the gas phase by controlling the active species

控制活性物种气相小分子转化的光电化学过程研究

基本信息

批准号：
20H02525
负责人：
天野史章
金额：
$ 11.65万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University (2022-2023)The University of Kitakyushu (2020-2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

全固体型の光電気化学システムを用いて、水蒸気供給による水の光電解反応およびメタンの光電解反応の開発を継続して行った。電極材料としては、開発した酸化タングステンやチタンドープ酸化鉄などの多孔性半導体電極の光電解反応特性を調べた。チタンドープ酸化鉄電極では、２段間の加熱処理で電子密度を制御することによって光電流が向上することを示した。また、多孔質のチタン繊維を電極基材にすると、従来の平板形状の基材を使ったときより、高い光電流値を得られることを示した。これはチタン繊維の表面積が大きいために、酸化鉄の担持量を増やしても励起電子の移動距離を短く保てることに起因する。水蒸気およびメタンの光電解反応において、半導体の種類によって生成物の選択性やイオノマーの分解挙動が変化することを明らかにしてきた。活性種としてヒドロキシラジカルの関与が示唆されるため、電子スピン共鳴（ESR）によるラジカル種の分析を目指した。ニトロン化合物をトラップ剤とするスピントラップ法を用いて、光照射によって生成したラジカルを評価するためのフローセルESRシステムを構築した。気相光電解反応では、活性（光電変換効率）、反応選択性、寿命の３つの指標について性能の改善を目的として、材料の特性を評価した。また、印加電圧・光強度・水蒸気分圧・メタン分圧・反応温度などの反応条件が性能に及ぼす影響を引き続き調査した。光電解反応のモデルとして、光触媒反応によるメタン転換反応についても検討を進めた。酸化ガリウム光触媒を中心に検討を進めたところ、助触媒としての担持金属粒子の種類によって反応性が変化することがわかった。この光触媒反応においてヒドロキシラジカルの生成量と反応選択性の相間を調べることで、反応機構を明らかとし、活性種制御のための理解を深めた。

使用全稳态的光电化学系统，继续使用水蒸气供应的水和光电反应的光电子反应的发展。研究了发达的多孔半导体电极（例如氧化钨和钛氧化铁氧化铁）的光电子解反应特性，作为电极材料。已经表明，在氧化钛氧化铁电极中，通过通过两个阶段之间的加热处理来控制电子密度，可以改善光电流。还已经表明，当将多孔钛纤维用作电极底物时，与使用常规的平板形底物相比，可以获得更高的光电流值。这是因为钛纤维的表面积很大，即使氧化铁的量增加，激发电子的移动距离也可以保持短。据透露，在水蒸气和甲烷的光电解反应中，产物的选择性以及离子体变化的分解行为，具体取决于半导体的类型。由于提出了羟基自由基作为活性物种的参与，我们旨在通过电子自旋共振（ESR）分析自由基物种。构建了流动池ESR系统，用于评估使用硝酸化合物作为诱捕剂产生的光照射产生的自由基。在蒸气相光电解反应中，评估了三个指标的材料特性：活动（光电转换效率），反应选择性和寿命，以提高性能。此外，持续的反应条件（例如施加电压，光强度，水蒸气压力，甲烷部分压和反应温度对性能）的影响继续。作为光电反应的模型，我们还研究了光催化反应的甲烷转化反应。当我们专注于氧化韧带光催化剂时，我们发现反应性会根据所支持的金属颗粒的类型而变化。通过检查羟基自由基生产量与该光催化反应中反应选择性之间的相位，揭示了反应机理，并加深对活性物种的理解。