Conversion of methane to higher hydrocarbons using carbon dioxide through the synergy of photocatalysis and high-pressure conditions

通过光催化和高压条件的协同作用，利用二氧化碳将甲烷转化为高级碳氢化合物

基本信息

批准号：
22KJ1272
负责人：
張葉平
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
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 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本来の目的である、光触媒と高圧によりメタンからC2+を生成するという目的を果たす前に、光触媒は温度によって大きく変化することがわかり、本年度は温度依存性を調べることに徹した。具体的には、(1)光触媒のため回転ディスク電極の結果の解釈をするための理論の構築、(2)光電気化学法及びポンププローブ分光法を用いて温度依存性の調査を行った。(1)については、昨年度実験を行っていたが、電気化学にはない光触媒特有のトレンドについて十分な解釈ができずにいた。そこで、光触媒において励起キャリアの寿命が効くことを仮定して理論を組み立てた。その結果、実験結果をよく再現する曲線が得られた。また、励起寿命を仮想的に変化させても合理的だという結果が得られた。本成果は、光触媒の表面正孔の再結合を評価をする新しい手法として提案される。この結果を用いて光触媒の温度依存性の解釈も行った。遺伝的アルゴリズムを用いることにより各パラメータがフィッティングされた。ただ、フィッティングはさらに改善の余地があり、来年度の課題となった。(2)反応温度の変化は励起キャリアの動力学に影響を与えると考え、酸化チタンについて光電気化学とポンププローブ分光法を用いて調査した。空間電荷層に蓄積する励起キャリアの量をモニタリングしながら消光時の過渡的な電流の分析を行った。表面蓄積正孔は一定電圧まで再結合が起こりそれを超えると止まること、正孔の反応と再結合が競合している領域の方が温度依存性が大きいこと、正孔の反応のみが起こっている領域では反応速度に対して正孔供給が足りず表面正孔が枯渇することがわかった。これらの知見は光触媒を理解し、材料設計・反応条件最適化・メカニズムの解釈に役立つと考える。

在实现其最初的目的是从甲烷到光催化剂和高压产生C2+之前，发现光催化剂随温度而发生了巨大变化，今年我们专注于研究温度依赖性。具体而言，（1）构建用于解释光催化剂旋转磁盘电极结果的理论，以及（2）使用光电化学方法和泵探针光谱研究了温度依赖性。关于（1），我们去年进行了一项实验，但无法完全解释电化学物质中未发现的光催化剂的独特趋势。因此，假设激发载体的寿命在光催化剂中有效，则构建了该理论。结果，获得了很好地再现实验结果的曲线。此外，发现实际上改变激发寿命是合理的。该结果被提出是评估光催化剂中表面孔的重组的一种新方法。使用此结果，我们还解释了光催化剂的温度依赖性。使用遗传算法拟合每个参数。但是，还有进一步改善配件的空间，这是明年的问题。（2）我们认为反应温度的变化会影响激发载体的动力学，并使用光电化学和泵探针光谱研究了氧化钛。监测了在空间电荷层中积累的激发载体的量，并分析了淬火过程中的瞬态电流。发现表面积累孔重组发生到恒定电压并在超过该电压时停止，在孔反应与重组竞争的区域中，温度依赖性更大，并且在仅发生孔反应的区域，孔供应不足以使反应速率且表面孔耗尽。这些发现对于理解光催化剂和解释材料设计，反应条件优化和机制很有用。