ナノテク情報

ナノテク・材料

金属ナノ粒子で光触媒の光還元効率向上に成功 ~人工光合成で二酸化炭素の再資源化に新展開~

 京都大学は2021年3月11日,同大学大学院工学研究科のShuying WANG博士課程学生,寺村 謙太郎准教授,田中 庸裕教授,信州大学先端材料研究所/東京大学特別教授室の堂免 一成特別(特任)教授,信州大学先端材料研究所の久富 隆史准教授らの研究グループが,光触媒の活性サイトを酸化サイトと還元サイトに分離することで,二酸化炭素(CO2)の光還元を効率的に進行させることに成功した,と発表した.本研究は,文部科学省の元素戦略プロジェクト,および科学研究費の助成を受けて行われ,成果はChemical Science誌のオンライン版に掲載された(注).

 地球温暖化防止のため大気中CO2の削減が求められており,植物の光合成に倣い水(H2O)を電子源としてCO2を還元再資源化・回収する人工光合成用触媒の開発も進められている.しかし、安定な分子であるCO2の還元には高いエネルギーの光照射,300nm以下の紫外光が必要とされてきた.人工光合成を実用化するには太陽光に多く含まれる可視光の利用が必要である.最近、堂免教授や久富准教授は,390nm以上の波長の光を吸収するアルミニウム(Al)をドープしたチタン酸ストロンチウム(Al-SrTiO3)が水の光分解において高い光触媒効率を示すことを見出した.この光触媒は,同一の粒子に{110}と{100}という二種類の結晶面を持ち,光照射で発生する電子と正孔を効率的に分離できる.この触媒はCO2の光還元活性をほとんど有していないが,本研究で,研究グループは,結晶の異方性を利用した電着法を用い,Al-SrTiO3の二種類の結晶面にそれぞれ異なる金属ナノ粒子を修飾することで,H2Oを電子源とするCO2の光還元効率を大幅に向上させることに成功した.

 本研究では,大きさ300nm程度のAl-SrTiO3結晶粒子の{110}面を水酸化コバルト(CoOOH)ナノ粒子,{100}面を銀(Ag)ナノ粒子で修飾した.これらのナノ粒子の大きさは2~20nmである.これにより{110}面ではH2Oから酸素(O2)が生成する酸化反応,{100}面ではCO2から一酸化炭素(CO)が生成する還元反応が進行する.触媒の水懸濁液にCO2を通気しながら波長300nm以下の光をカットした高圧水銀灯紫外光を照射し,光還元により発生する水素(H2),O2,COを測定した.開発された触媒のO2とCOの発生速度は,無修飾のAl-SrTiO3に比べそれぞれ126倍,660倍となったが,光照射で発生した電子がCO2還元に効率的に利用されたためH2の検出は約0.3倍に減少した.この条件におけるCO生成の選択率は99.8%である.Al-SrTiO3の修飾をCoOOHもしくはAg単独とした触媒では,COの発生速度は二種類のナノ粒子で修飾した場合に比べ1/10以下に大幅に低下する.照射光をより可視光に近づけるため波長365nmのLEDで照射すると,CO生成速度は約1/7に低下したが選択率は98.6%を維持し,見掛けの量子効率は0.03%でCO2の光還元が可能であった.

 本研究は,人工光合成による二酸化炭素の再資源化に新展開をもたらすとともに,可視光領域で作動する触媒開発の第一歩となるとしている.

(注)Shuying Wang, Kentaro Teramura, Takashi Hiatomi, Kazunari Domen, Hiroyuki Asakura, Saburo Hosokawa, and Tsunehiro Tanaka, "Dual Ag/Co cocatalyst synergism for the highly effective photocatalytic conversion of CO2 by H2O over Al-SrTiO3", Chemical Science, 2021, Advance Article, DOI 10.1039/D1SC00206F,; First published 24 Feb 2021