太陽光で水を完全分解する色素修飾光触媒の開発

开发利用阳光完全分解水的染料改性光催化剂

基本信息

批准号：
22860047
负责人：
萩原英久
金额：
$ 1.88万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

従来の研究で、紫外光下で水の光分解活性を示すKTaO_3をポルフィリン系色素で表面修飾すると、活性が向上することを見出した。本研究ではKTaO_3に代えて可視光応答性を有する化合物を用いることで、太陽光下で効率よく水を分解する光触媒を開発することを目的とし、修飾色素や無機半導体の探索、助触媒の最適化による水の光分解活性の向上効果について検討した。従来のポルフィリン色素に代えてキサンテン系やトリフェニルメタン系等の様々な有機色素でKTaO_3を修飾したところ、大半の色素において水素及び酸素の生成速度が向上し、特にローダミン6Gが高い活性の向上効果を示した。しかし、これらの色素を用いると量論比よりも酸素の生成量が少なく、色素の一部は犠牲剤的に作用していたことが示唆された。また、これらの色素は光照射によっても分解するため、長期の光触媒反応試験では失活してしまうことがわかった。一方、無機半導体についてはN添加TiO_2、WO_3、TaONやGaZnON等の可視光応答性の化合物を色素修飾し、水の光分解活性を調べた。その結果、GaZnONやWO_3、N添加TiO_2において水素生成速度は向上したが、いずれの触媒でも酸素の生成は観測されなかった。この時点では水素生成用の助触媒であるPtのみを担持していたことから、色素修飾GaZnONについて助触媒の最適化を検討した。その結果、水素生成用にRu、酸素生成用にIrO_2、逆反応抑制用にNiOを助触媒として用いることで水の光完全分解が達成され、色素修飾と助触媒の最適化によって、水素の生成速度は約12倍に向上することが明らかとなった。以上の結果から、色素修飾はバンドギャップの小さな半導体光触媒の水分解活性の向上にも有効であり、助触媒による気体生成過電圧の低減は色素修飾光触媒上での水の光完全分解反応に不可欠であることを見出した。

前期研究发现，KTaO_3在紫外光下表现出水光解活性，用卟啉染料进行表面修饰可提高其活性。在这项研究中，我们的目标是通过使用对可见光敏感的化合物代替KTaO_3来开发一种能够在阳光下有效分解水的光催化剂，并研究通过氧化提高水的光解活性的效果。当KTaO_3用各种有机染料如呫吨基和三苯甲烷基染料代替传统的卟啉染料进行修饰时，大多数染料的氢和氧生成率都得到提高，特别是罗丹明6G具有很高的活性改善效果表明。然而，当使用这些染料时，产生的氧气量小于化学计量比，这表明某些染料起到了牺牲剂的作用。研究还发现，这些颜料在光照下会分解，因此在长期光催化反应测试中会失活。另一方面，对于无机半导体，用染料修饰N掺杂的TiO_2、WO_3、TaON和GaZnON等可见光响应化合物，并研究水的光降解活性。结果表明，GaZnON、WO_3和添加N的TiO_2的产氢速率有所提高，但任何催化剂都没有观察到氧气的产生。此时，仅负载了作为制氢助催化剂的Pt，因此我们研究了染料修饰GaZnON助催化剂的优化。结果表明，利用Ru产氢、IrO_2产氧、NiO作为助催化剂抑制逆反应，实现了水的完全光解，并通过染料改性和助催化剂优化实现了产氢。速度提高约12倍。从上述结果来看，染料改性也能有效提高小带隙半导体光催化剂的水分解活性，并且降低助催化剂的气体产生过电压对于水在染料改性光催化剂上的完全光解反应至关重要。。