ナノスケールで三次元的に制御した高性能複合光触媒の開発と水素生成への応用

纳米级三维可控高性能复合光催化剂的研制及其在制氢中的应用

基本信息

批准号：
22KJ0733
负责人：
長川遥輝
金额：
$ 2.83万
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：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0733/
关键词：
光触媒水素製造金属ナノ粒子

项目摘要

本年度の研究では、複合体のベース材料となる光触媒と、電子メディエーターや助触媒として作用する金属ナノ粒子の作製方法について検討を行った。光触媒の検討では、可視光応答性を持つ材料として注目されている硫化物光触媒に着目した。高活性の光触媒材料に求められる要素として、結晶性が挙げられる。従来、結晶性の高い硫化物光触媒の合成では、真空雰囲気や硫化水素流通下での熱処理が必要であった。今回我々は、溶融塩中での熱処理を用いることで、真空・硫化水素雰囲気なしで、結晶性の高い硫化物光触媒を合成することに成功した。合成した光触媒は、従来法で作製した光触媒に比べて、結晶欠陥が少ないことが明らかになった。さらに、作製した材料を用いて水素生成活性を評価すると、本研究で得られた光触媒がより高い活性を示すことがわかった。これは、欠陥量が減少し、再結合による失活が抑制されたためであると考えられる。次年度以降では、本手法を活用して高結晶性光触媒を調製し、複合体のベース材料として用いることが可能である。また、金属ナノ粒子の検討では、光触媒上への新たな担持方法について研究を行った。従来は、光触媒上に金属ナノ粒子を担持する際、光触媒反応によって金属イオンを還元する光析出法がよく用いられていた。しかしながら、光析出法では、光照射によって励起した場所で反応が駆動するため、金属ナノ粒子の析出にムラがある場合があった。本研究では、新たに、光触媒表面に存在する電子トラップを活用することを検討した。具体的には、金属イオンを添加する前に光照射を行い、電子をトラップさせた状態で、金属イオンを添加した。この場合、還元反応は電子トラップに対応した場所で進行するため、均一な担持が可能になる。次年度以降では、本手法を活用した、金属ナノ粒子の導入が可能である。

在今年的研究中，我们研究了作为复合材料基础材料的光催化剂和作为电子介体和助催化剂的金属纳米粒子的生产方法。在光催化剂的研究中，我们重点研究了硫化物光催化剂，它作为对可见光敏感的材料而受到关注。结晶度是高活性光催化材料所需的要素。传统上，高度结晶的硫化物光催化剂的合成需要在真空气氛或硫化氢流下进行热处理。这次，我们在没有真空或硫化氢气氛的情况下，通过在熔盐中进行热处理，成功合成了高度结晶的硫化物光催化剂。发现合成的光催化剂比使用传统方法生产的光催化剂具有更少的晶体缺陷。此外，当评估所制备材料的产氢活性时，发现本研究获得的光催化剂表现出更高的活性。这被认为是因为缺陷量减少并且由于复合导致的失活被抑制。从明年开始，将有可能利用这种方法制备高结晶光催化剂并将其用作复合材料的基础材料。此外，对于金属纳米颗粒，我们研究了一种将其负载在光催化剂上的新方法。以往，在将金属纳米粒子担载于光催化剂时，大多使用通过光催化反应来还原金属离子的光蒸镀法。然而，在光沉积方法中，由于在光照射激发的位置处驱动反应，因此金属纳米颗粒的沉积可能不均匀。在这项研究中，我们新考虑了光催化剂表面存在的电子陷阱的使用。具体而言，在添加金属离子之前，进行光照射以捕获电子，然后添加金属离子。在这种情况下，由于还原反应在与电子陷阱相对应的位置处进行，因此可以实现均匀的负载。从明年开始，将有可能使用这种方法引入金属纳米粒子。