革新的複合技術による耐光腐食性光触媒の開発と可視光下での高効率水分解への応用

采用创新复合技术开发抗光腐蚀光催化剂并应用于可见光下高效分解水

• 批准号: 20J20032
• 负责人: 長川 遥輝
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 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 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J20032/
• 关键词: 光触媒; 光改質; 水素製造; バイオマス利用; 太陽光利用; 人工光合成; 光エネルギー変換; 水分解

本研究では、熱へのエネルギー変換を必要としない廃棄物処理技術として光改質反応の活用を検討した。光改質反応には我々が開発し，新たに構造を明らかにしたCdOx/CdS/SiC複合光触媒を使用した。この光触媒を用いることで本年度の目標であったリグノセルロース系バイオマスやタンパク質、プラスチックなどの有機性廃棄物の分解を伴った水素生成を達成した。光改質反応は反応中間体として考えられている低分子有機物や、実際の有機性廃棄物を添加して擬似太陽光を照射した場合にも進行した。従来の光改質反応では単体の光触媒を用いた反応系のみが提案されていたが、本研究では新たに電子移動が効果的に作用する複合光触媒を用いることで高活性化を達成した。さらに、複合体に含まれるSiCの熱放射特性によって有機性廃棄物の加水分解が促進され、水素生成速度の向上を導いた。最も高い活性を示したPt-CdOx/CdS/SiCを用いてα-セルロースの光改質反応を行うと、380 nmの光照射において反応のAQYが19.6%、420 nmの光照射では2.0%の値が得られた。これは従来報告されていたセルロースの光改質よりも高い活性である。さらに，CdおよびPtフリーの光触媒を光改質反応に応用するため，Znを中心金属とするMOFの一種であるZIF-8を前駆体として用いてCIZS光触媒を作製した。ZnSにドープするCuおよびInはあらかじめZIF-8に導入することで、ZnSに対して導入できた。本手法で作製したCIZSはZIF-8前駆体を用いないソルボサーマル法で作製したCIZSに比べてセルロースの光改質はおいて8.9倍程度の水素生成速度を示した。擬似太陽光下でのα-セルロース分解による水素生成速度は、CdOx/CdS/SiCよりも高い数値を示した。

在这项研究中，我们研究了使用光重整反应作为不需要将能量转化为热能的废物处理技术。对于光改性反应，我们使用了我们开发的CdOx/CdS/SiC复合光催化剂，其结构是最新阐明的。通过使用这种光催化剂，我们实现了今年的目标，即通过分解木质纤维素生物质、蛋白质和塑料等有机废物来生产氢气。当添加被认为是反应中间体的低分子有机物质或实际有机废物并用模拟太阳光照射时，光改性反应也会进行。在传统的光改性反应中，仅提出了使用单一光催化剂的反应体系，但在这项研究中，通过使用电子转移有效的新型复合光催化剂实现了高活化。此外，复合材料中SiC的热辐射特性促进了有机废物的水解，从而提高了产氢率。当使用活性最高的Pt-CdOx/CdS/SiC进行α-纤维素的光改性反应时，当用380 nm的光照射时，反应的AQY为19.6%，当用光照射时，反应的AQY为2.0%获得 420 nm 处的值。这是比之前报道的纤维素光改性更高的活性。此外，为了将不含Cd和Pt的光催化剂应用于光重整反应，我们使用ZIF-8（一种以Zn为中心金属的MOF）作为前驱体制备了CIZS光催化剂。通过预先将要掺杂到ZnS中的Cu和In引入到ZIF-8中，可以将它们引入到ZnS中。与不使用ZIF-8前体的溶剂热法制备的CIZS相比，通过该方法制备的CIZS在纤维素的光改性中显示出约8.9倍的产氢速率。模拟阳光下α-纤维素分解产氢率高于CdOx/CdS/SiC。

项目成果

MOF前駆体由来の硫化物光触媒を用いた木質バイオマスの光改質による水素生成

使用源自 MOF 前体的硫化物光催化剂通过木质生物质光重整制氢

• 发表时间: 2021
• 作者: Haruki Nagakawa;Morio Nagata
• 通讯作者: Morio Nagata

Over All Water Splitting by Anti-Photocorrosive Core-Shell Composite Sulfide Photocatalyst Synthesized via Acid Dissolution Process 

酸溶法合成的抗光腐蚀核壳复合硫化物光催化剂的全水分解

• 发表时间: 2020
• 作者: Haruki Nagakawa;Morio Nagata
• 通讯作者: Morio Nagata

Photoreforming of Lignocellulosic Biomass into Hydrogen under Sunlight in the Presence of Thermally Radiative CdS/SiC Composite Photocatalyst

• DOI: 10.1021/acsaem.0c02530
• 发表时间: 2020-12
• 期刊: ACS Applied Energy Materials
• 影响因子: 6.4
• 作者: Haruki Nagakawa;Morio Nagata

複合光触媒を用いた有機性廃棄物の光改質による水素生成

使用复合光催化剂通过有机废物光重整制氢

• 发表时间: 2021
• 作者: Kasuga Tomoaki;Odaka Hirokazu;Hatauchi Kosuke;Takashima Satoshi;Tamba Tsubasa;Aizawa Yuki;Hashiba Soichiro;Bamba Aya;Zhou Yuanhui;Tamagawa Toru;長川遥輝，永田衞男
• 通讯作者: 長川遥輝，永田衞男

Photoreforming of Lignocellulosic Biomass into Hydrogen Utilizing the Entire Visible Range of Light in the Presence of Composite Photocatalyst

在复合光催化剂存在下利用整个可见光范围将木质纤维素生物质光重整为氢气

• 发表时间: 2021
• 作者: 大久保祐里，桑田啓子，松林嘉克;長川遥輝，永田衞男
• 通讯作者: 長川遥輝，永田衞男