地球環境研究助成04-04

触媒表面での物質移動の観測に基づいた水素燃料生成の反応制御

代表研究者 信州大学　工学部・教授 錦織　広昌

【 研究の背景・目的 】

光触媒を用いてバイオマス等から直接水素を生成する反応では、反応物から光触媒粒子表面の活性部位（助触媒）へのプロトン供給の過程が重要である。しかし、触媒表面の状態を直接的に観測する方法では感度が低いため、表面における分子やイオンの反応過程を明らかにすることは不可能であった。本研究では、バイオマスのモデル物質としてセルロースを用い、光触媒表面でのセルロース分子の酸化反応に伴うプロトンの生成と移動過程について、光に敏感に応答する有機色素プローブ分子を用いた過渡分光法等により観測し、水素生成過程の評価および表面修飾による反応制御に発展させる。

【 研究内容・課題 】

水素生成の光触媒反応効率向上のためには、プロトンの授受を促進する官能基で触媒表面を修飾し、表面上のプロトンの移動過程を的確に把握、制御することが不可欠である。このためには、光触媒内部での初期過程とそれに続く分子の過渡的な反応過程、定常状態での水素生成過程を関連付けて議論することが重要である。しかし現時点では、表面における分子やイオンの過渡的な反応過程を観測するまでには至っていない。少量の官能基しか存在しない触媒表面の状態を赤外分光やラマン分光法により直接的に観測することは、感度に限界があり非常に難しいためである。

ページトップへ 【 課題解決の研究手法 】

光触媒表面においてプロトンの授受を促進するために、その表面をホスホン基を有する分子で修飾する。セルロース分子の酸化反応に伴うプロトンの生成・移動過程について、プロトン化平衡を示し、光に敏感に応答する有機色素をプローブ分子として利用した過渡吸収分光法、時間分解蛍光分光法により、間接的に高感度な観測を行う。さらに定常状態での水素生成の定量結果と関連付けることにより、水素生成反応過程の評価法を確立する。表面修飾の条件を調整することにより表面の構造制御による反応制御の指針を得る。さらに動的な電気化学分析により広時間領域の物質移動観測に拡張し、反応制御の検証を行う。

ページトップへ 【 期待される研究成果 】

本研究では、有機プローブ分子を用いた高感度な過渡分光測定により、これまでに得られなかった様々な表面状態における過渡的な分子反応過程を簡便に解明することができ、分子の反応全体の本質的な理解が進む。特に時間分解蛍光法では、より簡便で高感度な観測が期待できる。反応の進行を見極める方法が確立すれば、光触媒の表面修飾の効果を容易に判定することができるため、表面構造制御を含む光触媒開発を大きく加速することができる。