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光触媒プレスセミナー
- 1. 光触媒プレスセミナー 2018年6⽉11⽇（⽉） 東京⼯業⼤学⼤岡⼭キャンパス 前⽥ 和彦 東京⼯業⼤学 理学院 光触媒プレスセミナー ⽔や⼆酸化炭素を原料に有⽤物質をつくる！
- 2. 本⽇の内容 ✤ 研究の背景 ✤ 太陽光エネルギー変換の研究における光触媒研究の位置付け ✤ ⼈⼯光合成の基本原理 ✤ ⼈⼯光合成のプロトタイプ 〜⽔の電気分解を光で進⾏させる〜 ✤ 光を吸収して⽔を⽔素と酸素に分解する魔法の粉、光触媒 ✤ 太陽光を効率良く吸収する複合アニオン化合物 ✤ 酸素とフッ素を構成元素とする新しい複合アニオン光触媒 ✤ 今後の展望 今回の成果
- 3. 東⼯⼤のエネルギー戦略における位置付け S LO A S R tlb O O U OS U U U Se o mB o R A U G H S U S mos R OSi B Bsb i o Bu A S LR S G b & ( U A A C f sa mos m i & A Bnc u A saho A B oA A n u IS T T yB R uI LO U b U L N S B U H E a S m s U U MO R U L OS A r B R oh n u h o b u u bn i , mos RU MP n E E u C E E D E D E CE C E D G CE E G sTE P E E C E CE E s C C E E E L N T sb e s s TI T .3 0 21 T T
- 6. 緑⾊植物の光合成を⼈⼯系で(しかも効率100倍で)⾏うと… K. Maeda & K. Domen, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2655. ×10,000 plants!! 2050年に⼈類全体で必要とされるエネルギーの1/3を 太陽光エネルギーで賄うとした場合を想定して計算…
- 7. 太陽光エネルギーを広い⾯積で利⽤するにはどうすればいい？ ⾼価な太陽電池パネルを 広⼤な⾯積に展開できるか？ 電気エネルギーは貯蔵も⼤変… 太陽電池 ⼈⼯光合成の特徴 ✤ 半永久的に利⽤可能な太陽光エネルギーを使って、 ⾝近な物質から有⽤な化学燃料を作り出す！ ✤ 電気エネルギーとはちがい、使いたいときに使うこ とができる “⼈⼯”光合成 ⼆酸化炭素 + ⽔ 炭化⽔素など + 酸素 ⽔ ⽔素 + 酸素
- 9. ⼈⼯光合成の基本 〜酸化と還元〜 酸化（さんか） 物質が酸素と結びつくこと。 かんたんにいえば物質を燃やすこと。 還元（かんげん） 酸化の逆。つまり、酸素を取り去ること。 酸化と還元の⼤原則 酸化と還元は必ず同時に起こる。 何かが酸化されたら、必ず別の何かが還元されている。 どちらか⽚⽅だけが起きることは絶対にない。 鉄 + 酸素 ⾚さび（酸化鉄） 4Fe + 3O2 2Fe2O3 鉄鉱⽯（酸化鉄） + コークス（炭素） 鉄 + ⼆酸化炭素 2Fe2O3 + 6C 4Fe + 3CO2
- 10. ⾃然界の⼤原則 ✤ 私たちの⾝の回りにあるものは、基本的に安定なもの。 ✤ 不安定なものは、いつか必ずより安定なものへ変わる。 ✤ 何も無いところからエネルギーが⽣まれることは絶対にない。 エネルギー⾼ エネルギー低 ⾼エネルギー物質 （より不安定なもの） 低エネルギー物質 （より安定なもの） ⾃然に変換される
- 11. “⼈⼯光合成的な”化学反応のあるべき姿 低エネルギー物質 （CO2, H2O） エネルギー⾼ エネルギー低 太陽光エネルギーで 酸化・還元反応を進める ⾼エネルギー物質 （炭化⽔素、酸素） 炭化⽔素など + 酸素⼆酸化炭素 + ⽔
- 14. 光のエネルギーで⽔を電気分解（Honda-Fujishima効果） Fujishima & Honda, Nature 1972, 238, 37. 酸素 ⽔ 電圧 ⽔素 ⽔ プラス極 （酸化チタン） マイナス極 （⽩⾦） 光 電極間に加える電圧 / ボルト(V) 電流 1.23 V 電気エネルギー のみ 電気エネルギー +光エネルギー 1.23 V未満 ⽔の分解に必要な電圧 酸化 還元
- 16. 光の波⻑とエネルギーの関係 波長 (m) 1 1/1,000 1/1,000,000 mm (ミリ) μm (マイクロ) nm (ナノ)1/1,000,000,000 波⻑の短い光ほどエネルギーが⾼い。 ⽇差しの強い夏の⽇に⽇焼けするのは、波⻑の短い紫外線を浴びるため。 「放射線を浴びると危険」と⾔われるのも、放射線の波⻑が短いから。 エネルギー⾼ エネルギー低 波⻑が短い 波⻑が⻑い
- 19. 太陽光エネルギー変換効率と光触媒の動作波⻑の関係 K. Maeda & K. Domen, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2655. 太陽光エネルギー変換効率 光⼦の利⽤効率
- 21. 複合アニオン光触媒開発の従来の指針 酸素よりも電気陰性度が⼩さい(つまり、電⼦を引き寄せる ⼒の弱い)元素を使うのがポイント！ 電気陰性度: フッ素 > 酸素 > 塩素 > 窒素 > ヨウ素 > 硫⻩ ただし安定性に課題あり・・・
- 22. 今回の成果 - 可視光に応答する酸フッ化物光触媒 パイロクロア型酸フッ化物 Pb2Ti2O5.4F1.2 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Kubelka-Munk/a.u. 700600500400300 Wavelength / nm フッ素を使って、通常の酸化物では安定に得られない結晶構造を実現 構成イオン間の強い相互作⽤により、酸フッ化物としては例外的な可視光吸収を実現！ R. Kuriki et al., J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6648.
- 23. ⽔からの⽔素⽣成、CO2の化学変換に利⽤可能 H2O CO2 ⽔素 ギ酸(⽔素キャリア)Pb2Ti2O5.4F1.2光触媒 ○ 特徴 ・500 nmまでの可視光を利⽤可能 ・⽔の分解(⽔素製造)、CO2変換など様々な反応に利⽤可能 ・複合アニオン化合物の中でも際⽴った安定性 △ 課題 ・現時点で光触媒反応の効率が低く改善が必要 ・Pbの有害性 => 他元素での代替
- 24. まとめと今後の展望 Ga Ge As In Sn Sb Tl Pb Bi ・酸素とフッ素を主たるアニオン種として含むPb2Ti2O5.4F1.2光触媒を開発 ・酸フッ化物としては例外的な可視光吸収を実現！ ・⽔の分解、CO2の還元など様々な光触媒反応に応⽤可能 ・従来の複合アニオン光触媒で問題だった安定性も回避できる可能性⼤ Pb: 有毒 安価・低毒性のSn、Biでも 同様の機能発現の可能性あり これまで探索の対象にならなかった酸フッ化物系に 新たな光触媒機能創出の可能性！ アニオンの複合化により卓越した機能創出の可能性！ 謝辞: ⽂部科学省科学研究費助成事業「新学術領域研究」平成28－平成32年度 「複合アニオン化合物の新規化学物理機能の創出」