表面反応メカニズム解明による不均一系人工光合成触媒の合理的設計

阐明表面反应机理合理设计多相人工光合作用催化剂

• 批准号: 16J06079
• 负责人: 山本 宗昭
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J06079/
• 关键词: 光触媒; 二酸化炭素還元; 表面反応メカニズム

光触媒を用いた水による二酸化炭素の還元においては、選択的に二酸化炭素を還元するための表面反応の制御をすることが重要である。本研究では光触媒の表面反応を理解することで、光触媒の合理的な設計指針を得ることを目指した。具体的には、銀助触媒を担持した酸化ガリウム光触媒を対象に、触媒表面および触媒表面上に吸着した二酸化炭素分子の化学状態・構造を観察した。反応前の銀高担持触媒中の銀粒子は部分的に酸化された状態にあり、酸化ガリウムとの界面では複合酸化物構造を形成していることが分かった。反応後の触媒では銀は金属的な状態となり、触媒活性は反応時間とともに増加していったことから、反応初期の複合酸化物の分解に励起電子・正孔が消費され助触媒作用を示す銀金属に変化したものと考えられる。一方で銀低担持触媒中には小さな銀金属クラスターが存在しており反応初期に高活性であるが、反応後には凝集して活性が低下することが明らかになった。さらに、二酸化炭素分子は金属状態の銀粒子には吸着しない一方で、複合酸化物を形成した銀粒子に強く吸着することが明らかになり、触媒反応への関与が示唆された。また、銀金属助触媒上で進行する二酸化炭素還元反応を明らかにするため、光照射しながらFT-IRスペクトルの経時変化を測定した。光照射時間に伴って炭酸塩に帰属される吸収が増大し、この吸収は銀を担持していない酸化ガリウム光触媒では観測されず，銀の担持量が多い光触媒の方が大きな増大を示した。さらに、この吸収増大は系内に二酸化炭素が存在しない場合には生じず、二酸化炭素の分圧に依存した。以上より、光照射によって銀金属助触媒上に吸着した二酸化炭素種をin-situ FT-IR測定によって捉えることに成功した。

在使用光催化剂通过水还原二氧化碳时，控制表面反应以选择性地还原二氧化碳是很重要的。在本研究中，我们旨在通过了解光催化剂的表面反应来获得光催化剂的合理设计指南。具体来说，我们使用负载银助催化剂的氧化镓光催化剂观察了催化剂表面的化学状态和结构以及吸附在催化剂表面上的二氧化碳分子。结果发现，反应前高银负载催化剂中的银颗粒处于部分氧化状态，在与氧化镓的界面处形成复合氧化物结构。反应后的催化剂中，银处于金属态，催化活性随着反应时间的延长而增加，因此在反应初期，激发的电子和空穴被消耗在复合氧化物的分解中，银作用据认为它变成了金属。另一方面，已经表明，低银负载催化剂中存在小的银金属簇，并且在反应开始时具有高活性，但在反应之后它们聚集并且活性下降。此外，还发现二氧化碳分子虽然不吸附在金属状态的银粒子上，但强烈吸附在形成复合氧化物的银粒子上，这表明它们参与了催化反应。此外，为了澄清在银金属助催化剂上进行的二氧化碳还原反应，我们在用光照射的同时测量了FT-IR光谱的时间进程。归因于碳酸盐的吸收随着光照射时间的增加而增加，并且在不负载银的氧化镓光催化剂中未观察到这种吸收，并且负载大量银的光催化剂表现出更大的增加。此外，这种增加的吸收在系统中不存在二氧化碳的情况下不会发生，并且取决于二氧化碳的分压。如上所述，我们使用原位 FT-IR 测量成功地通过光照射捕获了吸附在银金属助催化剂上的二氧化碳物质。

项目成果

Ag K- and L3-edge XAFS study on Ag species in Ag/Ga2O3 photocatalysts

Ag/Ga2O3 光催化剂中 Ag 物种的 Ag K 和 L3 边缘 XAFS 研究

• DOI: 10.1088/1742-6596/712/1/012074
• 发表时间: 2016
• 作者: M. Yamamoto; T. Yoshida; N. Yamamoto; T. Nomoto; A. Yamamoto; H. Yoshida;S. Yagi
• 通讯作者: S. Yagi

CO2 adsorption states affected by Ag co-catalyst over Ga2O3 photocatalyst

Ga2O3 光催化剂上 Ag 助催化剂对 CO2 吸附状态的影响

• 发表时间: 2017
• 作者: M. Yamamoto; S. Yagi;T. Yoshida
• 通讯作者: T. Yoshida

光触媒的CO2還元反応における金属助触媒へのCO2光吸着

光催化 CO2 还原反应中 CO2 光吸附到金属促进剂上

• 发表时间: 2017
• 作者: 山本宗昭; 八木伸也; 吉田朋子
• 通讯作者: 吉田朋子

Effective Ag co-catalyst for photocatalytic CO2 reduction with water

有效的银助催化剂，用于光催化水还原二氧化碳

• 发表时间: 2017
• 作者: M. Yamamoto; S. Yagi;T. Yoshida
• 通讯作者: T. Yoshida

CO2 reduction with water over metal oxide photocatalysts: Modification of surface property by loading various cocatalysts

金属氧化物光催化剂用水还原二氧化碳：通过负载各种助催化剂来改性表面性能

• 发表时间: 2016
• 作者: Muneaki Yamamoto; Masato Akatsuka; Shinya Yagi; Tomoko Yoshida
• 通讯作者: Tomoko Yoshida