Developing Efficient Particulate Semiconductor Photocatalytic Systems for Solar Water Splitting

开发用于太阳能水分解的高效颗粒半导体光催化系统

• 批准号: 19F19336
• 负责人: 堂免 一成
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Shinshu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-11-08 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19F19336/
• 关键词: 粉末光触媒; 酸硫化物; 硫化; 水素生成; 可視光; 助触媒

粉末光触媒を用いて水を水素と酸素に分解する反応は最も基本的なエネルギー変換反応の1つである。本研究では、高効率な太陽光水分解反応の実現に向け、酸硫化物半導体微粒子からなる水素生成用光触媒の改良に取り組んだ。令和元年度は小径のLa5Ti2Cu0.9Ag0.1O7S5（LTCA）光触媒粉末を硫化水素気流下での加熱（硫化法）で合成できることを見出した。本年度は、硫化法で合成したLTCAの後処理による物性の改善と、助触媒担持法の改良を通じた水素生成活性向上について検討を行った。硫黄雰囲気中での加熱処理により、硫化法で合成したLTCAの水素生成活性が7倍近く向上した。その結果、固相法で合成した既存のLTCA関連化合物を上回る水素生成速度が達成された。硫化法による小径化、および後処理による表面の非晶質層の除去が光触媒活性の向上に効果的であったと考えられる。従来の固相法で合成したLTCA光触媒に対して含浸・水素還元法を用いて助触媒を担持し、水素生成活性の向上を図った。水素還元温度と助触媒担持量を最適化した結果、含浸・水素還元法を用いることで従来の光電着法を用いた場合よりも10倍以上高い水素生成速度を達成した。水素生成反応に対する見かけの量子効率は従来のLTCA系材料に比べて6倍以上高くなり、酸硫化物光触媒による水素生成反応の中でも最も高い値となった。XPS分析により、担持された助触媒の化学状態が活性に影響していることがわかった。本研究により、LTCA光触媒の水素生成活性を効果的に向上させる技術が開発された。今後、開発されたLTCAを光触媒シートに応用することで、高効率なZスキーム型水分解反応が実現可能になると期待される。本研究は外国人特別研究員の就職のため、年度途中で期間短縮し終了した。

使用粉末的光催化剂将水分解为氢和氧的反应是最基本的能量转化反应之一。在这项研究中，我们致力于改善由高氧硫化物半导体颗粒组成的氢产生的光催化剂，以实现高效的太阳能水破裂反应。在2019年，发现小直径LA5TI2CU0.9AG0.1O7S5（LTCA）光催化剂粉末可以通过在硫化氢空气流（硫化法）下加热来合成。今年，我们通过通过硫化方法合成的LTCA进行后处理来调查物理性质的改善，并通过改善Cocatalyst支持方法改善了氢生产活性。硫大气中的热处理可增强硫化物法合成的LTCA氢生产活性近7倍。结果，实现了超过现有LTCA相关化合物通过固相法合成的氢生产率。据信，通过硫化和去除表面上的无定形层通过处理后的无定形层减少直径可有效改善光催化活性。使用常规固相法合成的LTCA光催化剂通过浸渍和还原方法来支持改善氢生产活性。通过使用浸渍/氢还原方法优化氢还原温度和支持的cocatalysts的量，氢生产率的达到了至少10倍，比常规的光电上沉积方法高10倍。氢生成反应的明显量子效率比常规LTCA基材料高六倍以上，这使其成为使用氧硫化物光催化剂的氢产生反应中最高值。 XPS分析表明，受支持的催化剂的化学状态影响了它们的活性。这项研究开发了一种有效改善LTCA光催化剂氢生产活性的技术。可以预期，将来将开发的LTCA应用于光催化片，可以进行高效的Z-Scheme型水分解反应。这项研究在年中缩短，由于外国特别研究人员的使用而结束。

项目成果

Thermal sulfidation preparation of Ga-La5Ti2Cu0.9Ag0.1O7S5 with improved hydrogen evolution activity by post-treatment and co-catalyst loading

通过后处理和负载助催化剂热硫化制备具有提高析氢活性的Ga-La5Ti2Cu0.9Ag0.1O7S5

• 发表时间: 2020
• 作者: Xiao Qi;Zhenhua Pan;久富隆史;高田剛;堂免一成
• 通讯作者: 堂免一成

Synthesis of Y2Ti2O5S2 by thermal sulfidation for photocatalytic water oxidation and reduction under visible light irradiation

热硫化合成Y2Ti2O5S2用于可见光照射下光催化水氧化还原

• DOI: 10.1007/s11164-020-04329-y
• 发表时间: 2021
• 期刊: Research on Chemical Intermediates
• 影响因子: 3.3
• 作者: Pan Zhenhua;Yoshida Hiroaki;Lin Lihua;Xiao Qi;Nakabayashi Mamiko;Shibata Naoya;Takata Tsuyoshi;Hisatomi Takashi;Domen Kazunari
• 通讯作者: Domen Kazunari