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| 人工光合成、水の光分解 |
| 【技術分類】 |
| １−Ｂ 酸化チタン光触媒の基礎反応 |
| 【技術の名称】 |
| １−Ｂ−７−ａ 人工光合成、水の光分解 |
| 【技術内容】 |
| 光触媒を用いた水の光分解に関する研究が進んでいる。この反応では水素、酸素の生成速度とともに、両者の化学量論比が重視されている。気相には両者が混合して生成し、爆発混合物を形成するので、生成物を効率よく分離するための工学的手法の開発も必要であるが、現在のところ、これに関する報告は見られない。 使用した触媒：Pt/TiO2 TiO2 (P25 (Degussa))にH2PtCl6の2% MeOH水溶液から光還元法で0.1wt% Ptを担持した触媒を使用した。 光触媒反応法：パイレックス製の平底円筒型密閉式反応器を使用、60mm直径、50mm高さ、148cm3容積。水浴で温度制御し、上方または下方から反射鏡を使用して液中に焦点を合わせるようにUV光照射した。250W 高圧水銀灯を使用、フラックス量はK3Fe(C2O4)3法で測定した。生成するガスは９cm3毎に抜き出し、GC法で分析した。 |
| 【図】 |
| 図１ Pt/TiO2触媒を用いた水の光分解 |
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| 出典：「Stoichiometric photocatalytic decomposition of pure water in Pt/TiO2 aqueous suspension system．」、「Catal Lett VOL. 34 NO. 1/2」、（1995年）、TABATA S、NISHIDA H、MASAKI Y、TABATA K著、J C Baltzer AG発行、248頁 Fig.２ Evolution of H2 and O2 of four runs of photoreaction as a function of time: (a) the suspension is irradiated from the top of the pyrex cell; (b) the suspension is irradiated from the bottom of the cell. (■) H2, (●) O2. Arrows indicate the gas evacuation and introduction of Ar gas. Light source, 250W high pressure Hg lamp; catalyst 0.3g; pure water, 16cm3. |
| 図１の説明：上方からUV照射した場合、H2、O2がほぼ化学量論比（2.1-2.0）で生成し、完全化学分解が進行することを確認できた。反復使用で光分解活性が維持された。一方下方からの照射では低収率でH2のみが生成し、O2がわずかであった。またその化学量論比も崩れていた。生成した気体の拡散が上方照射で有利になるのが原因である。 |
| 【応用分野】 |
| 水の完全光分解による水素生産 |
| 【出典／参考資料】 |
| 「Catal Lett VOL. 34 NO. 1/2」、（1995年）、TABATA S、NISHIDA H、MASAKI Y、TABATA K著、J C Baltzer AG発行、245頁〜249頁 より最近の報告では、産業技術総合研究所の荒川等による下記報文を挙げる。 「Nature VOL. 414」、(2001年12月06日)、Z Zou、J Ye、K Suyama、H Arakawa著、Nature Publishing Grp発行、625頁〜627頁 種々の光半導体を用いた水の完全分解については、例えば次の総説を参照願いたい。 「J Photochem Photobiol A」、（1997年）、Mills A、Le Hunte S著、Elsevier発行、1頁〜35頁 「Encyclopedia of Catalysis: Photocatalysis- Heterogeneous」、（2002年）、Domen K著、John Wiley & Sons, Inc発行 「希土類 37巻」、（2000年）、工藤昭彦著、日本希土類学会発行、29頁〜46頁 |
| 【技術分類】 |
| １−Ｂ 酸化チタン光触媒の基礎反応 |
| 【技術の名称】 |
| １−Ｂ−７−ａ 人工光合成、水の光分解 |
| 【技術内容】 |
| 人工光合成や水の光分解を実現するには、太陽光エネルギーの3〜5%と言われるUV光に依存するのは有利でない。ドーピング、色素増感等、可視光域でこれを達成する手段が提案されてきた。チタン化合物で層状構造を有するTitanic acid (H2Ti4O9)の層間に形成される二次元ナノ空間に可視光励起型半導体（Fe2O3、CdS、TiO2等）を包接した触媒の例を紹介する。 CdSの導入はCd2+を導入後、H2Sで処理して層間にCdSを形成する方法を採用した。同様にしてCd1-xZnxSも導入した。 |
| 【図】 |
| 図１ CdS包接層間ナノコンポジットの構造モデル |
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| 出典：「層間ナノコンポジットの調製と光触媒作用」、「触媒 VOL. 44 NO. 4」、（2002年）、佐藤次雄、SHU YIN著、触媒学会発行、235頁 Fig.１ Schematic illustration of a semiconductor incorporated nanocomposite. |
| 図２ CdS包接層間ナノコンポジット触媒を用いた水の光分解 |
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| 出典：「層間ナノコンポジットの調製と光触媒作用」、「触媒 VOL. 44 NO. 4」、（2002年）、佐藤次雄、SHU YIN著、触媒学会発行、237頁 Fig.５ Amounts of hydrogen gas produced from 400cm3 of 0.1M Na2S solutions dispersed 1g of various samples at 60℃ under irradiation of visible light (λ > 400nm). (a) H2Ti4O9/Cd0.8Zn0.2S, (b) H4Nb6O17/ Cd0.8Zn0.2S, (c) montmorillonite/Cd0.8Zn0.2S, (d) layered double hydroxide/Cd0.8Zn0.2S and (e) unsupported Cd0.8Zn0.2S. |
| 図２の説明：種々の層間化合物に可視光型光半導体を導入したが、チタン酸に導入した場合に最も水素発生速度が高く、有利であった。 |
| 【応用分野】 |
| 可視光型の水光分解触媒の開発 |
| 【出典／参考資料】 |
| 「触媒 VOL. 44 NO.４」、（2002年）、佐藤次雄、SHU YIN著、発行、234頁〜239頁 |
| 【技術分類】 |
| １−Ｂ 酸化チタン光触媒の基礎反応 |
| 【技術の名称】 |
| １−Ｂ−７−ａ 人工光合成、水の光分解 |
| 【技術内容】 |
| 植物やバクテリアの営む光合成、窒素固定などを人工的に達成するため、光化学反応の観点から種々の研究がなされてきた。生物による光合成の機構は複雑であり、実験室的には集光機能、電子伝達媒体、電荷分離構造などの要素を作成し、段階を経て積み上げていくことが必要となり、前途はなお遠い。光触媒の立場からは水の光分解による水素、酸素の製造から始まり、水素をCO2、N2の還元剤に用いて生物の生産する炭水化物、NH3を触媒的に合成することになるが、こうした工程については部分的に成功している。 H2O、N2を出発原料とする光触媒法NH3合成は、現象としては1941年には見出されていた。1977年に米国のSchrauzer等、1980年代に日本の三山等、田丸等が低効率ではあったが成功している。使用した触媒はTiO2、SrTiO3であった。以下に田丸等の報告を紹介する。 使用した触媒：SrTiO3、BaTiO3、 2μm、RuO2 0.8%、NiO 1.5%を担持して使用 光触媒反応方法：閉鎖循環系、石英製、内容積 378mL。450W 高圧水銀灯、水冷パイレックス製ジャケットを使用。 |
| 【図】 |
| 図１ 光触媒によるNH3生成 |
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| 出典：「Photocatalitic Synthesis and Photodecomposition of Ammonia over SrTiO3 and BaTiO3 Based Catalysts」、「Chem Lett」、（1983年）、LI Q S、DOMEN K、NAITO S、ONISHI T、TAMARU K著、日本化学会発行、323頁 Fig.１ Time course of NH3 and H2 formations |
| 図１の説明：使用した触媒は光照射により、H2とともにNH3を生成することが判明した。これらの触媒はまたNH3を光分解してH2を生成することも見出された。SrTiO3、BaTiO3単独ではNH3生成活性が低く、またH2の生成は認められなかった。NiO、RuO2の担持でNH3、H2の生成活性が向上したが、両成分の担持でNH3の生成が飛躍的に向上した。反応では量論比との一致を確認するには至らなかったが、O2が生成することは確認している。 |
| 【応用分野】 |
| 人工光合成触媒の設計 |
| 【出典／参考資料】 |
| 「Chem Lett」、（1983年）、LI Q S、DOMEN K、NAITO S、ONISHI T、TAMARU K著、日本化学会発行、321頁〜324頁 その他にもN2の光還元に関する報告は少なくないが、最近のものではFe2Ti2O7フィルムを用いた H Kirschの下記文献を挙げたい。 「Angew Chem Int Ed VOL. 40 NO.21」、（2001年）、O Rusina、A Eremenko、G Frank、H P Strunk、H Kirsch著、Wiley-VCH Verlag GmbH発行、3993頁〜3995頁 |
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| ［更新日 2003.3.28］ |