過酸化水素酸性溶液の製造のための人工光合成システムの開発

开发用于生产过氧化氢酸性溶液的人工光合作用系统

基本信息

批准号：
22K05183
负责人：
阿部敏之
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Hirosaki University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K05183/
关键词：
過酸化水素酸性溶液人工光合成有機p-n接合体過酸化水素合成

项目摘要

亜鉛フタロシアニン(ZnPc, p型)とフラーレン(C60, n型)からなる有機p-n接合体を光カソード, 酸化コバルト(Co2O3)助触媒を担持したバナジン酸ビスマス(BiVO4)を光アノードとしてそれぞれ用い, 酸性条件で人工光合成型の過酸化水素生成反応を検討した. 両者のボルタモグラムを比較すると, 光カソード電流と光アノード電流が同時に発生する電位領域が存在していたことから, バイアス電圧を印加せずとも酸化還元反応が進行すると期待された. 実際, C60表面に金(Au)助触媒を担持した光カソード上では, 酸素還元に伴い選択的に過酸化水素が生じ, また, 光アノード上で水の酸化により酸素が生成した. 上記の系では, 光照射をするだけで酸化還元反応が進み, いわゆる人工光合成型の反応が起こったことが特筆される. また, 光カソード上での過酸化水素生成は可視全域の光エネルギーに応答して誘起されることも光電流の作用スペクトル測定の結果から明らかになった. しかし, 本系の過酸化水素生成に対するエネルギー変換効率は最大でも0.2 Vのバイアス電圧印加時で<0.01%であった. 本系における律速段階は酸素還元過程であることもわかり, 酸素還元速度の向上が高効率化の鍵を握っていると考えられる. そのため, まず, 酸素の二電子還元に対して活性な触媒の探索を行う必要がある. 各種炭素材料, 配位圏が制御されたコバルト単原子触媒, Fe-N4構造を含むπ共役共有結合有機ポリマーなど候補として, 担持法も含めて検討する.

由锌酞菁（ZnPc，p型）和富勒烯（C60，n型）组成的有机p-n共轭物用作光电阴极，并且使用负载氧化钴（Co2O3）助催化剂的钒酸铋（BiVO4）作为光电阳极。研究了以下条件下的人工光合作用型过氧化氢生产反应，比较两者的伏安图，我们发现：由于存在同时产生光电阴极电流和光电阳极电流的电势区域，因此预计氧化还原反应将在不施加偏压的情况下进行。事实上，金（Au）助催化剂被施加到C60表面上。在光电阴极上，随着氧气被还原而选择性地产生过氧化氢，在光电阳极上，通过水的氧化而产生氧气，值得注意的是，发生了所谓的人工光合作用型反应，此外，光电流作用光谱测量的结果表明，光电阴极上的过氧化氢的产生是响应于可见光范围内的光能而引起的。当施加0.2V的偏压时，该系统中的过氧化氢产量最大<0.01%。还发现该系统中的速率决定步骤是氧还原过程。提高氧还原速率被认为是高效率的关键，因此，首先有必要寻找对氧的双电子还原具有活性的催化剂，例如受控的钴单原子。催化剂和含有 Fe-N4 结构的 π-共轭共价有机聚合物，包括载体方法。