水の全分解用の光触媒のナノ構造制御による高機能化

通过纳米结构控制提高光催化剂的全水分解功能

基本信息

批准号：
11F00387
负责人：
堂免一成
金额：
$ 1.02万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2011
资助国家：
日本
起止时间：
2011 至 2012
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11F00387/
关键词：
光触媒水分解

项目摘要

光触媒を用いた水の分解によるクリーンな水素製造は、環境問題やエネルギー問題の観点から近年注目を集めている。可視光照射下で水分解に有望な光触媒材料群が見出されているが、量子収率は非常に低い。これらの可視光応答型水分解用光触媒材料群の中でも、窒化タンタルは波長約600nmまでの光を吸収することができるため、重要な材料の一つである。ただし光触媒活性は低く、バルク中での光励起キャリアの再結合がその低活性の最大の要因と考えられている。上記の問題を解決するために、窒化タンタル光触媒においてコア/シェル型の構造を構築し、酸素生成サイトと水素生成サイトを空間的に分離することで、光触媒活性の向上を試みた。具体的にはSiO2/Ta3N5のコア/シェル構造を構築し、水素生成サイトとしてPtナノ粒子を窒化タンタルシェルの内側に、酸素生成サイトとしてIrO2やCoOxを外側に修飾することで、水素生成サイトと酸素生成サイトの空間的分離を行った。メタノール水溶液中で可視光照射下での水素生成半反応を行ったところ、中空Pt/Ta3N5(TP)、SiO2/Pt/Ta3N5コアジェル(TPS)、バルクTa3N5においてそれぞれ水素生成速度は6.6、3.1、0.5・molh-1となった。中空構造もしくはコアシェル構造を形成することで、バルクよりも水素生成速度が向上することがわかった。コアシェル構造(TPS)で、かつTa3N5の外側をさらにIrO2で修飾した場合、水素生成速度は約50%向上した。この結果は、機能の異なる助触媒を空間的に分離して修飾することで更なる活性向上が期待できることを示している。また、犠牲試薬として硝酸銀を用いた酸素生成半反応においても、助触媒の分離構築による活性向上が確認された。このようなコアシェル型構造を利用して助触媒を分離構築する手法は他の材料系へも応用可能であり、発展が期待される。

近年来，从环境和能源问题的角度来看，利用光催化剂分解水生产清洁氢气已引起人们的关注。已经发现了一组有望在可见光照射下分解水的光催化材料，但它们的量子产率非常低。在这些用于水分解的可见光响应光催化材料中，氮化钽是重要的材料之一，因为它可以吸收波长高达约600 nm的光。然而，光催化活性较低，并且体相中光激发载流子的复合被认为是其活性低的主要原因。为了解决上述问题，我们尝试通过在氮化钽光催化剂中构建核/壳型结构并在空间上分离氧产生位点和氢产生位点来提高光催化活性。具体来说，我们构建了SiO2/Ta3N5的核/壳结构，用Pt纳米颗粒作为氢生成位点修饰氮化钽壳的内部，并用IrO2或CoOx作为氧生成位点修饰外部，以实现氧生成位点的空间分离。执行。在可见光照射下，在甲醇水溶液中进行产氢半反应时，空心Pt/Ta3N5（TP）、SiO2/Pt/Ta3N5核凝胶（TPS）的产氢率为6.6、3.1和0.5，分别为块状Ta3N5。·成为molh-1。发现与块状结构相比，形成中空结构或核壳结构提高了氢生产率。当Ta3N5的外部进一步用IrO2以核壳结构(TPS)修饰时，产氢率提高了约50%。该结果表明，通过空间分离和修饰具有不同功能的助催化剂，可以预期进一步提高活性。此外，在使用硝酸银作为牺牲剂的制氧半反应中，证实了通过助催化剂的分离和构建提高了活性。利用这种核壳结构分离构建助催化剂的方法可以应用于其他材料体系，并且有望进一步发展。