Fabrication of a highly selective photocatalyst for methane conversion by controlling photocatalyst surface structures combined with quasi-steady state operando spectroscopy

通过控制光催化剂表面结构结合准稳态操作光谱制备用于甲烷转化的高选择性光催化剂

基本信息

批准号：
22KJ3098
负责人：
斎藤晃
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Institute for Molecular Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ3098/
关键词：
光触媒金属助触媒メタン水オペランド計測赤外吸収分光

项目摘要

光触媒によるメタン酸化では酸化剤の反応性が光触媒の反応活性や選択性に重要な役割を果たす。本研究では酸化剤として水を用いるが、水分子はその吸着状態や水素結合環境によって反応性が変化する。そこで、光触媒表面における水分子種について詳細な文献調査を行い、その知見をまとめて総説とした。この総説を通して、水分子の吸着状態や水素結合環境といった微視的な分子の物性が反応メカニズムや素反応に大きく影響することやこれらを制御するために光触媒表面設計が重要であることを示した。また、水によるメタン酸化の表面反応メカニズムと光触媒活性や選択性との関係性を明らかにするために、メタン酸化の代表的な光触媒である酸化ガリウムに金属助触媒を担持したモデル反応系に対してオペランド赤外吸収分光を行った。まず、水の同位体を用いた分子ラベリングによって、光触媒表面で活性化された水分子種を介したメタンのC-H結合の活性化経路が発現し、メタン酸化活性が劇的に向上することを明らかにした。また、反応活性のメタン圧力依存性の速度論解析と光触媒表面のメタン酸化中間体種の観測を組合せることで、金属助触媒による反応選択性の違いが金属助触媒表面での中間体種のキネティクスの違いによるものであることを明らかにした。以上のように、本年度ではメタン酸化のモデル光触媒系に対してオペランド赤外吸収分光を行うことで、吸着水分子によってメタン活性化が促進されること、活性化されたメタン由来の中間体キネティクスが金属助触媒によって変調されることで反応選択性が変化することを分子論的に明らかした。これらのモデル光触媒系におけるメタン酸化の微視的な知見は、今後、様々な光触媒系における表面素反応や中間体キネティクスと反応活性や選択性との関係を考える上での基礎となるものである。

在光催化甲烷氧化中，氧化剂的反应活性对光催化剂的反应活性和选择性起着重要作用。在这项研究中，水被用作氧化剂，但水分子的反应性根据其吸附状态和氢键环境而变化。因此，我们对光催化剂表面的水分子种类进行了详细的文献调查，并将研究结果汇编成一篇综述文章。通过这篇综述，我们证明了分子的微观物理性质，例如水分子的吸附状态和氢键环境，极大地影响了反应机制和基元反应，而光催化表面设计对于控制这些非常重要。此外，为了阐明水氧化甲烷的表面反应机理与光催化活性和选择性之间的关系，我们建立了一个模型反应体系，其中氧化镓是典型的甲烷氧化光催化剂，其中金属助催化剂负载。进行红外吸收光谱分析。首先，通过使用水同位素进行分子标记，我们揭示了通过在光催化剂表面活化的水分子物种来活化甲烷C-H键的途径，并且显着提高了甲烷氧化活性。此外，通过将反应活性的甲烷压力依赖性的动力学分析与光催化剂表面上的甲烷氧化中间体物种的观察相结合，我们发现金属助催化剂引起的反应选择性的差异表明，这是由于动力学上的差异。如上所述，今年，我们对甲烷氧化模型光催化系统进行了原位红外吸收光谱分析，揭示了吸附水分子促进甲烷活化，并研究了源自活化甲烷的中间体的动力学分子理论。当金属助催化剂调节时，反应选择性发生变化。这些模型光催化系统中甲烷氧化的微观发现将作为未来考虑各种光催化系统中表面基元反应和中间动力学以及反应活性和选择性之间关系的基础。

项目成果

期刊论文数量（18）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Critical impacts of interfacial water on the photocatalytic C-H conversion of methane

界面水对甲烷光催化C-H转化的关键影响

DOI：
10.26434/chemrxiv-2022-lcgwv
发表时间：
2022
期刊：
ChemRxiv
影响因子：
0
作者：
Sato Hiromasa;Ishikawa Atsushi;Saito Hikaru;Higashi Taisuke;Takeyasu Kotaro;Sugimoto Toshiki
通讯作者：
Sugimoto Toshiki

光触媒メタン転換における酸化反応場としての金属助触媒

金属促进剂作为光催化甲烷转化中的氧化反应位点