二酸化炭素循環のための光触媒的メタン改質

用于二氧化碳循环的光催化甲烷重整

• 批准号: 17J08969
• 负责人: 庄司 州作
• 金额: $ 1.6万
• 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: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J08969/
• 关键词: in-situ ESR; 格子酸素; 光触媒; ナノ相分離触媒; 同位体分析; 長期耐久性; 光駆動ドライリフォーミング; 根留触媒; ナノ相分離材料; 電子スピン共鳴; ドライリフォーミング; 熱触媒; オペランド分析; オペランド分光; 半導体; 助触媒

本年度は、新規に開発した光触媒的ドライリフォーミングの高活性化及びメカニズムの解析を行った。まず反応ガスの組成を変化させながら生成物を質量分析することで、反応媒介物質（メディエーター）に関する知見を得た。結果、触媒内の酸素、とりわけ格子酸素が反応に関与していることが示唆された。このため、同位体を用いて格子酸素が反応に関与しているかどうかを検証した。まず、チタン酸ストロンチウムの格子酸素を16Oから18Oへと置換した。続いて、メタンと二酸化炭素を系に流し、生成物を質量分析したところ、C18Oの生成が確認された。このことより、格子酸素が反応へ寄与していることが実証された。従来の光触媒系では、反応のメディエーターは液相中のプロトンか酸素ラジカル種であった。本研究では、格子酸素をメディエーターとした光触媒反応系の初の実証となる。本研究は、Nature Catalysis誌に報告した。次に、初年度に作製したナノ相分離触媒と、格子酸素の利用という観点を合わせたナノ相分離光触媒の開発を行った。本研究ではセリウムとロジウムを元素として選択し、これらの金属間化合物を雰囲気処理することにより金属ロジウムと光半導体である酸化セリウムがナノ相分離構造となった触媒を作製した。この結果、光照射下で63%を超えるメタン・二酸化炭素転換率を達成した。また、生成物の比も量論比通りであり、副反応のない理想的な反応が進行した。さらに、本触媒を反応条件下で耐久実験を行ったところ100時間以上にわたり安定した活性を示し、ターンオーバー数は13000となった。さらに、酸化セリウムはバンドギャップが約2.7eVであり可視光を吸収することができる。よって、カットオフフィルターを用いて可視光を照射したところ量論比通りの生成物を確認した。これにより、本研究の最終目標である可視光によるドライリフォーミング系の確立が成った。

今年，我们分析了新开发的光催化干重整的高活化率和机理。首先，通过在改变反应气体的组成的同时对产物进行质谱分析，他们获得了有关反应介体的知识。结果表明催化剂内的氧，特别是晶格氧，参与了反应。因此，我们用同位素来验证晶格氧是否参与了反应。首先，钛酸锶的晶格氧从16O替换为18O。接下来，将甲烷和二氧化碳流入系统，通过质谱分析产物，确认了C18O的生成。这表明晶格氧有助于反应。在传统的光催化系统中，反应的介体是液相中的质子或氧自由基物质。这项研究是首次演示使用晶格氧作为介体的光催化反应系统。该研究发表在《自然催化》杂志上。接下来，我们开发了一种纳米相分离光催化剂，将第一年生产的纳米相分离催化剂与晶格氧的使用相结合。在这项研究中，我们选择了铈和铑作为元素，并通过在大气中处理这些金属间化合物，制备了一种催化剂，其中金属铑和氧化铈（一种光学半导体）具有纳米相分离结构。结果，我们在光照射下实现了超过 63% 的甲烷/二氧​​化碳转化率。此外，产物的比例与化学计量比相同，反应进行理想，没有任何副反应。此外，当该催化剂在反应条件下进行耐久性测试时，其活性稳定超过100小时，周转次数为13,000次。此外，氧化铈具有约2.7eV的带隙并且可以吸收可见光。因此，当使用截止滤光片照射可见光时，证实产物处于化学计量比。这导致了利用可见光的干重整系统的建立，这是本研究的最终目标。

项目成果

加熱を必要としない光触媒的ドライリフォーミング

无需加热的光催化干重整

• 发表时间: 2018
• 作者: 庄司州作; 彭小波; 山口晃; 山本知一; 松村晶; 藤田武志; 阿部英樹; 宮内雅浩
• 通讯作者: 宮内雅浩

温室効果ガスを光照射で水素や化学原料に変換

利用光照射将温室气体转化为氢气和化学原料

Semiconductors-based Artificial Photosynthesis, Visible-Light-Driven Selective CO2 Reduction through Water Oxidation

基于半导体的人工光合作用，可见光驱动通过水氧化选择性减少二氧化碳

• 发表时间: 2017
• 作者: Masahiro Miyauchi; Ge Yin; Hiroshi Sako; Shusaku Shoji; Akira Yamaguchi; Hideki Abe
• 通讯作者: Hideki Abe

Mechanism of photocatalytic dry reforming of methane on Rh/SrTiO3

Rh/SrTiO3光催化干重整甲烷机理

• 发表时间: 2019
• 作者: Shusaku Shoji; Xiaobo Peng; Akira Yamaguchi; Ryo Watanabe; Choji Fukuhara; Yohei Cho; Tomokazu Yamamoto; Sho Matsumura; Satoshi Ishii; Takeshi Fujita; Hideki Abe; Masahiro Miyauchi.
• 通讯作者: Masahiro Miyauchi.

Photocatalytic methane conversion through CO2 reduction

通过二氧化碳还原光催化转化甲烷

• 发表时间: 2018
• 作者: Shusaku Shoji; Akira Yamaguchi; Tomokazu Yamamoto; Sho Matsumura; Takeshi Fujita; Xiaobo Peng; Hideki Abe; Masahiro Miyauchi.
• 通讯作者: Masahiro Miyauchi.