Carbon dioxide reduced valuable products synthesis by sunlight and wastewater as energy sources

二氧化碳减少了以阳光和废水为能源的有价值产品的合成

• 批准号: 22KJ0061
• 负责人: 松尾 稜介
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Hokkaido University
• 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 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0061/
• 关键词: 無機-有機ハイブリッドシステム; 二酸化炭素還元有価物合成; 光触媒電極; 複合金属ナノ酸化物半導体ZnO/CuO; バイオ光アノード; 有機物分解

本研究の目的は，太陽光を用いて下水を補助エネルギー源とし，光エネルギーを用いて水を分解し還元力を得る光触媒反応と，その還元力により二酸化炭素還元有価物を合成する微生物反応を統合した無機-有機ハイブリッド二酸化炭素還元有価物合成システムを構築することである．本システムの重要な要素である光触媒電極に関して検討を行った．複合金属ナノ酸化物半導体ZnO/CuOは安価で豊富に存在し，導電性が高く，加工が容易であることから光触媒電極として注目されている．しかし，この材料を水分解反応に供するとき安定性が課題となる．電極は水分解を担うが，この水分解に高いエネルギーが必要になることが原因の一つである．本研究では，この水分解の代わりにエネルギーが低くても反応可能な有機物分解を利用した．光触媒単体では有機物分解を行うことが難しいため，有機物を分解する時に電気を生産する微生物を生物触媒として加えた．また有機物としてモデル反応物の乳酸を用いた．さらに，電極の安定性向上のため，メラミンと電極を共に煆焼し，窒化炭素を表面に付与することを試みた．生物触媒を加えて光を照射した系（バイオ光アノード）は生物触媒を加えた系（バイオアノード）と比較して3.5倍，電極のみの系（非生物アノード）と比較して9倍の水素生成速度を示した．このことから微生物の植菌と光照射が水素生成を促進することが明らかになった．また，バイオ光アノードは2日間安定的な電流生成を示した．これはこれまで数時間オーダーであったZnOベースの非生物光触媒電極と比較して優れた安定性であった．以上の結果は，安定性が課題とされてきたZnOベースの電極の応用可能性を大きく前進させる重要な知見である．

这项研究的目的是开发一种利用太阳光作为辅助能源分解水并获得还原力的光催化反应，以及一种利用这种还原力合成有价值的物质来还原二氧化碳的微生物反应。集成的无机-有机混合二氧化碳还原有价值的产品合成系统。我们研究了光催化电极，它是该系统的重要组成部分。复合金属纳米氧化物半导体ZnO/CuO作为光催化电极受到人们的关注，因为它廉价且丰富，具有高导电性，并且易于加工。然而，当这种材料进行水分解反应时，稳定性就成为一个问题。电极负责水分解，原因之一是这种水分解需要高能量。在这项研究中，我们使用即使在低能量下也能发生反应的有机物分解来代替水分解。由于单独使用光催化剂难以分解有机物，因此添加了在分解有机物时产生电力的微生物作为生物催化剂。另外，使用模型反应物乳酸作为有机物质。此外，为了提高电极的稳定性，我们尝试将三聚氰胺和电极同时烧结，并在表面添加氮化碳。添加生物催化剂并用光照射的系统（生物光阳极）释放的氢气比添加生物催化剂的系统（生物阳极）多3.5倍，比仅具有电极的系统（非生物阳极）多释放9倍的氢气。显示。这表明微生物接种和光照射促进氢气的产生。此外，生物光阳极在两天内表现出稳定的电流产生。与之前的 ZnO 基非生物光催化电极（大约几个小时）相比，这是非常出色的稳定性。上述结果是重要的发现，极大地提高了 ZnO 基电极的适用性，但其稳定性一直是一个问题。

项目成果

光エネルギー駆動型生物-光電気化学ハイブリッドシステムによる水素生成

使用光能驱动的生物光电化学混合系统生产氢气

• 发表时间: 2023
• 作者: 松尾稜介 糸入祐也 髙橋優樹 渡辺精一 岡部聡