水と酸素から過酸化水素を製造する複合光触媒システム

由水和氧气产生过氧化氢的复合光催化系统

基本信息

批准号：
12J01103
负责人：
洪達超
金额：
$ 1.9万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光エネルギーを貯蔵可能な水素などの化学エネルギーへと変換することは持続可能な社会を実現するために喫緊の課題である。天然では植物や藻類は光合成を行うことで、水と二酸化炭素から酸素と化学エネルギーである炭化水素を生成している。人工的に光合成システムを構築するには、光の捕集・電荷分離、水の酸化反応と還元反応という３つのプロセスを最適化し、さらにそれらを複合化する必要がある。これまでに、光エネルギーを用いて水と酸素から、可搬性に優れた液体の化学燃料である過酸化水素を製造することを目指して研究を展開してきた。ルテニウム錯体を光増感剤、水酸化イリジウム粒子を水の酸化触媒として用いると、酸性条件下、可視光を照射することで、水と酸素から過酸化水素が得られることを見出した。今回、生成した過酸化水素の分解を防ぐために、ナフィオン膜で分離した二層系の光電気化学セルを用いた反応の検討を行った。光電気化学セルの陽極と陰極のそれぞれに可視光応答の水の酸化半導体触媒と酸素を選択的に過酸化水素に還元する金属錯体触媒を固定化し、可視光を照射することで過酸化水素の生成を確認した。種々の反応条件を最適化することで、効率よく過酸化水素を製造することに成功した。また、二酸化炭素固定を行うために、二酸化炭素の還元触媒について検討した。有機配位子で修飾した金ナノ粒子を電極触媒に用いた二酸化炭素の還元反応を行った。まず、金のナノ粒子を合成し、得られた金ナノ粒子に過剰なN-ヘテロ環状カルベン(NHC)配位子を加え、表面のキャッピング配位子をNHC配位子に置換した。これを電極触媒に用いて反応を行った結果、NHC修飾した金ナノ粒子はNHC配位子で修飾してない金ナノ粒子と比較して、二酸化炭素還元の選択性と活性が向上した。金ナノ粒子の表面を修飾することで、電気化学による二酸化炭素の還元反応の活性を制御できることを示唆した。

将光能转化为氢等可储存化学能是实现可持续社会的紧迫问题。在自然界中，植物和藻类利用光合作用从水和二氧化碳中产生氧气和碳氢化合物，它们是化学能。构建人工光合作用系统，需要对光收集和电荷分离、水氧化和还原反应三个过程进行优化，然后将它们组合起来。迄今为止，研究的目的是利用光能从水和氧气中生产过氧化氢，这是一种高度便携的液体化学燃料。我们发现，当使用钌络合物作为光敏剂、使用氢氧化铱颗粒作为水氧化催化剂时，在酸性条件下用可见光照射可以从水和氧中得到过氧化氢。这次，为了防止产生的过氧化氢分解，我们研究了使用由 Nafion 膜分隔的两层光电化学电池的反应。将可见光响应的水氧化半导体催化剂和选择性地将氧还原成过氧化氢的金属络合物催化剂分别固定在光电化学电池的阳极和阴极上，并且可以通过可见光照射来还原过氧化氢。通过优化各种反应条件，他们成功地高效生产过氧化氢。此外，我们还研究了用于二氧化碳固定的二氧化碳还原催化剂。我们使用有机配体修饰的金纳米粒子作为电极催化剂进行了二氧化碳还原反应。首先，合成金纳米粒子，并向所得金纳米粒子中添加过量的N-杂环卡宾（NHC）配体，以用NHC配体取代表面上的封端配体。使用其作为电催化剂进行反应的结果是，与未用 NHC 配体修饰的金纳米粒子相比，NHC 修饰的金纳米粒子显示出改善的二氧化碳还原选择性和活性。有人提出，可以通过修饰金纳米颗粒的表面来控制二氧化碳电化学还原反应的活性。