第１５属元素が配位した窒化炭素による過酸化水素生成の動作機構解明とシステム開発

氮化碳配合15族元素生产过氧化氢的运行机制及系统开发的阐明

• 批准号: 20H02847
• 负责人: 横野 照尚
• 金额: $ 10.57万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02847/
• 关键词: グラファイト型窒化炭素; 原子状金属イオン固定; 二電子酸素還元; 過酸化水素生; 可視光照射下; 過酸化水素生成; 原子上金属イオン修飾; 励起状態電荷分布DFT計算; C3N4; 原子状金属イオン固定化; 酸素還元; 可視光照射; 原子状金属イオン修飾; 励起状態電荷分布状態計算; 窒化炭素誘導体; 金属イオンの原子状配位固定化; 過酸化水素製造; 重合型窒化炭素; 酸素の選択的に電子還元; 可視光応答型光触媒; 光触媒的過酸化水素生成; 15族元素配位

過酸化水素(H2O2)は，衣料用の漂白剤・食品の処理・消毒剤などの身近な用途から，医療用殺菌や半導体プロセスにおける洗浄などの幅広い用途で利用されてきた．近年では持続可能な環境社会の実現に向けて，水素にかわる次世代燃料電池の燃料として，また，環境負荷の低い有機合成用酸化剤として利用することが期待されており、新規な製造技術について検討が進められている.問題点として，①H2O2は工業的にはアントラヒドロキノンを触媒として多段階・エネルギー多消費型反応で合成されるために高価であり，環境負荷が大きいという短所を有している。そのため、我々の研究室では、こららの問題をすべて開発し、環境負荷のほとんどない太陽光などの光エネルギーのみを用いて水と酸素から常温常圧で過酸化水素を高効率で製造する触媒およびシステム開発を継続して行ってきた。本年度では、グラファイト型窒化炭素（PCN）のユニットの窒素原子部位に原子状の分散状態でd10元素群（Sb, P, As）を固定化する技術を世界に先駆けて開発した。その結果、可視光照射下で窒素原子部位にホールが集積され、d10元素群に励起電子が高い効率で蓄積された結果、非常に高い殿下分離状況を生み出すことに成功した．その結果、励起状態電荷分布DFT計算によりホールは水を酸化して酸素を生成し、その酸素を励起電子で二電子還元することで過酸化水素を連続的に生み出す理想的な反応システムを構築することに成功した。420 nmの光を利用した過酸化水素生成の見かけの量子効率は18%に達し、報告時の世界最高効率を達成した。また、基本ユニットのPCNの構造を制御して光の利用効率を向上させるために、原料のメラミンとバルビツル酸の復号下により440nm程度までしか光を利用できなかったPCNが570nmまでの光を利用するPCNBAの開発にも成功している。

过氧化氢（H2O2）已用于广泛的应用，包括用于服装，食物处理和消毒剂的漂白，以及半导体过程中的医疗灭菌和清洁。近年来，为了实现可持续的环境社会，预计它将用作替代氢和氧化有机合成的下一代燃料电池的燃料，并将其用作较低的环境影响，并且正在研究新的制造技术。问题是：1。H2O2在多阶段，能量密集型反应中用蒽二喹酮作为催化剂而在工业上合成，并且具有巨大的环境影响的缺点。因此，我们的实验室已经开发了所有这些问题，并继续开发催化剂和系统，这些催化剂和系统在室温和压力下仅使用光能（例如太阳能）在水和氧气，室温和正常压力下的效率高的效率下，在室温和压力下产生过氧化氢。今年，我们一直在开发一项将D10元素（SB，P，AS）固定在原子分散状态的技术，位于世界上首先是石墨型氮化碳（PCN）单元的氮原子位点。结果，在可见光照射下，在氮原子位点积累了孔，并在D10元素组中积累了激发的电子，其效率很高，从而导致了他殿下的分离情况很高。结果，通过计算激发状态电荷分布DFT，Hall氧化水以产生氧气，并通过激发电子减少氧气，成功构建了理想的反应系统，其中通过连续减少氧气来连续产生过氧化氢。使用420 nm光的过氧化氢的明显量子效率达到18％，据报道，世界上可能的效率最高。此外，为了控制基本单元的PCN结构并提高光利用率的效率，PCNBA由于原材料三聚氰胺和巴比妥酸的解码而仅使用高达440 nm，还成功地开发了一种PCNBA，它使用了高达570 nm的光线。

项目成果

Nitrogen and sulfur co-doped CeO2 nanorods for efficient photocatalytic VOCs degradation

氮硫共掺杂CeO2纳米棒可有效光催化降解VOCs

• DOI: 10.1039/d2cy00934j
• 发表时间: 2022
• 期刊: Catalysis Science and Technology
• 影响因子: 5
• 作者: Yang;H.;Jia;L.;Haraguchi;J.;Wang;Y.;Xu;B.;Zhang;Q.;Nan;Z.;Zhang;M.;Ohno;T.
• 通讯作者: T.

Visible light-driven H2 and H2O2 synthesis by a Cu3BiS3 photocathode via a photoelectrocatalytic system

Cu3BiS3 光电阴极通过光电催化系统可见光驱动 H2 和 H2O2 合成

• 发表时间: 2021
• 作者: ○Daisuke Kawaguchi;Daiki Saito;Keiji Tanaka;Chen Chao・横野照尚
• 通讯作者: Chen Chao・横野照尚

可視光および赤外光でH2O2を生成する共有結合性有機構造体(COFs)光触媒の開発

开发利用可见光和红外光产生 H2O2 的共价有机框架 (COF) 光催化剂

• 发表时间: 2022
• 作者: Shigeru Matsuoka;Kentaro Yamada;Akira Katoh;Hiroyuki Koji;Akira Nishizono;Naoto Uemura;長岡朋希，松井康哲，婦木正明，大垣拓也，太田英輔，小堀康博，池田 浩;Cai Wenan・横野照尚
• 通讯作者: Cai Wenan・横野照尚

過酸化水素生成を指向した金属イオンを原子状に固定化した窒化炭素光触媒の開発と反応機構

原子固定金属离子氮化碳光催化剂制备过氧化氢的开发及反应机理

• 发表时间: 2022
• 作者: Matsumoto Saki;Tateishi-Karimata Hisae;Sugimoto Naoki;横野照尚
• 通讯作者: 横野照尚

Photoelectrochemical reduction of CO2 using a TiO2 photoanode and a gas diffusion electrode modified with a metal phthalocyanine catalyst

• DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135805
• 发表时间: 2020-01
• 期刊: Electrochimica Acta
• 影响因子: 6.6
• 作者: Katsuichiro Kobayashi;S. Lou;Yoshiyuki Takatsuji;T. Haruyama;Y. Shimizu;T. Ohno