Development of color- and structure-controlled plasmonic nanoparticle catalysts supported on hierarchical porous materials and their catalytic applications

分级多孔材料上颜色和结构控制的等离子体纳米颗粒催化剂的开发及其催化应用

基本信息

批准号：
20J10094
负责人：
山崎友香理
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

金や銀などの貴金属ナノ粒子が示す表面プラズモン共鳴を利用して種々の化学反応を駆動させることのできるプラズモン触媒は太陽光の有効利用の観点から注目を集めている。当該研究では、形態制御した担体を用いて高活性なプラズモン触媒を開発・応用することを目的としている。前年度は形態制御したシリカ担体に担持した銀プラズモン触媒を開発し、担体の多孔質形状が触媒活性に影響することを見出した。これを踏まえて、本年度はシリカと同じく容易に形態制御可能な酸化チタンを利用した光触媒研究に取り組んだ。また、酸化チタンは貴金属ナノ粒子を担持し、水素などの還元雰囲気で加熱すると水素のスピルオーバー現象が起こることが知られている。これを踏まえて、酸化チタンに水素スピルオーバーを利用した還元処理を行うことで酸素欠損やTi3+を形成させ、還元型酸化チタン光触媒とし、その活性や欠陥形成機構の調査に取り組んだ。ナノチューブ形状に制御した担体に銀ナノ粒子を種々の方法で担持した。その結果、可視光域に表面プラズモン共鳴由来の吸収を示す担持触媒が得られたが、担持方法の違いによって銀の可視光吸収能が異なった。得られた触媒はギ酸からの水素生成反応に活性を示した。また、銀に加えてパラジウムを担持した結果、活性向上が確認された。さらに、貴金属ナノ粒子を担持した異なる結晶相を有する3種類の酸化チタンに対して水素スピルオーバー現象を利用した還元処理を行って還元型酸化チタン光触媒を開発し、メタノール水溶液からの水素生成反応を用いて光触媒活性を評価した。本還元手法によって形成した酸素欠損やTi3+はルチル型酸化チタンの活性向上に有効であることを見出した。さらに、酸化チタンをナノロッド形状に制御することで可視光照射下での光触媒活性を向上させることができた。

等离子体催化剂可以利用金、银等贵金属纳米颗粒所表现出的表面等离子体共振来驱动各种化学反应，从有效利用太阳光的角度来看，等离子体催化剂正在引起人们的关注。本研究的目的是开发和应用使用具有受控形态的载体的高活性等离子体催化剂。去年，我们开发了一种负载在形态控制的二氧化硅载体上的银等离子体催化剂，发现载体的多孔形状影响催化活性。基于此，今年我们利用氧化钛进行了光催化剂研究，氧化钛与二氧化硅一样可以轻松控制形状。此外，已知氧化钛负载贵金属纳米颗粒，并且当在诸如氢气的还原气氛中加热时，会发生氢气溢出现象。在此基础上，我们利用氢气溢出对氧化钛进行还原处理，形成氧空位和Ti3+，制备出还原氧化钛光催化剂，并研究其活性和缺陷形成机制。使用各种方法将银纳米颗粒负载在纳米管状载体上。结果，获得了在可见光区域显示源自表面等离子体共振的吸收的负载催化剂，但是银的可见光吸收能力根据负载方法而变化。所得催化剂在甲酸制氢反应中表现出活性。另外，通过除了银以外还负载钯，确认了活性的提高。此外，我们通过利用氢气溢出现象对负载贵金属纳米粒子的三种不同晶相的氧化钛进行还原处理，并利用甲醇水溶液的产氢反应，开发了还原氧化钛光催化剂。评价。我们发现这种还原方法形成的氧空位和Ti3+可有效提高金红石型氧化钛的活性。此外，通过将二氧化钛控制为纳米棒形状，我们能够提高可见光照射下的光催化活性。