Fabrication of a highly selective photocatalyst for methane conversion by controlling photocatalyst surface structures combined with quasi-steady state operando spectroscopy

通过控制光催化剂表面结构结合准稳态操作光谱制备用于甲烷转化的高选择性光催化剂

• 批准号: 22KJ3098
• 负责人: 斎藤 晃
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Institute for Molecular Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ3098/
• 关键词: 光触媒; 金属助触媒; メタン; 水; オペランド計測; 赤外吸収分光

光触媒によるメタン酸化では酸化剤の反応性が光触媒の反応活性や選択性に重要な役割を果たす。本研究では酸化剤として水を用いるが、水分子はその吸着状態や水素結合環境によって反応性が変化する。そこで、光触媒表面における水分子種について詳細な文献調査を行い、その知見をまとめて総説とした。この総説を通して、水分子の吸着状態や水素結合環境といった微視的な分子の物性が反応メカニズムや素反応に大きく影響することやこれらを制御するために光触媒表面設計が重要であることを示した。また、水によるメタン酸化の表面反応メカニズムと光触媒活性や選択性との関係性を明らかにするために、メタン酸化の代表的な光触媒である酸化ガリウムに金属助触媒を担持したモデル反応系に対してオペランド赤外吸収分光を行った。まず、水の同位体を用いた分子ラベリングによって、光触媒表面で活性化された水分子種を介したメタンのC-H結合の活性化経路が発現し、メタン酸化活性が劇的に向上することを明らかにした。また、反応活性のメタン圧力依存性の速度論解析と光触媒表面のメタン酸化中間体種の観測を組合せることで、金属助触媒による反応選択性の違いが金属助触媒表面での中間体種のキネティクスの違いによるものであることを明らかにした。以上のように、本年度ではメタン酸化のモデル光触媒系に対してオペランド赤外吸収分光を行うことで、吸着水分子によってメタン活性化が促進されること、活性化されたメタン由来の中間体キネティクスが金属助触媒によって変調されることで反応選択性が変化することを分子論的に明らかした。これらのモデル光触媒系におけるメタン酸化の微視的な知見は、今後、様々な光触媒系における表面素反応や中間体キネティクスと反応活性や選択性との関係を考える上での基礎となるものである。

Photocatalytic に よ る メ タ ン acidification で は acidification tonic の activity against 応 sex が light catalyst の against 応 や sentaku に important な "を cut fruit た す. This study で は acidification tonic と し て water を use い る が, water molecules は そ の sorption state や water element combine environmental に よ っ て anti 応 sex が variations change す る. そ こ で, photocatalytic surface に お け る water molecules of に つ い て detailed line を い な literature survey, そ の knowledge を ま と め て 総 said と し た. こ の 総 adds を し て, water molecules の sorption state や water element combine environmental と い っ た micro の な molecular sexual が anti 応 メ カ ニ ズ ム や, anti 応 に big き く influence す る こ と や こ れ ら を suppression す る た め に photocatalytic surface design が important で あ る こ と を shown し た. ま た, water に よ る メ タ ン acidification の surface anti 応 メ カ ニ ズ ム と photocatalytic activity や sentaku sex と の masato sex を and Ming ら か に す る た め に, メ タ ン acidification の represent な photocatalytic で あ る acidification ガ リ ウ ム に metal help catalyst を bear hold し た モ デ ル anti 応 department に し seaborne て オ ペ ラ ン ド red outside 収 absorption spectral line を っ た. ま の ず, water with a body を い た molecular ラ ベ リ ン グ に よ っ て で activeness, photocatalytic surface さ れ た water molecules of を interface し た メ タ ン の C - H combining の activeness 経 road が 発 し, メ タ ン acidification of active が play に す upward る こ と を Ming ら か に し た. ま た, anti 応 activity の メ タ ン pressure dependency の speed theory of analytic と photocatalytic surface の メ タ ン acidification intermediates of の 観 を combination measuring せ る こ と で, metal catalyst に よ る anti 応 sentaku sex の violations い が metal catalyst surface で の intermediates of の キ ネ テ ィ ク ス の violations い に よ る も の で あ る こ と を Ming ら か に し た. Above の よ う に, this year's で は メ タ ン acidification の モ デ ル photocatalytic system に し seaborne て オ ペ ラ ン ド red outside 収 absorption spectral line を う こ と で, absorbed water molecular に よ っ て メ タ ン activeness が promote さ れ る こ と, active さ れ た メ タ ン origin の intermediates キ ネ テ ィ ク ス が metal help catalyst に よ っ て - adjustable さ れ る こ と で anti 応 sentaku sex が variations change す る The に theory of molecular molecules ら た た. こ れ ら の モ デ ル photocatalytic system に お け る メ タ ン acidification の micro visual な knowledge は, in the future, others 々 な photocatalytic system に お け る surface element against 応 や intermediates キ ネ テ ィ ク ス と reverse 応 や sentaku sex と の masato is を え test on る で の based と な る も の で あ る.

项目成果

Critical impacts of interfacial water on the photocatalytic C-H conversion of methane

界面水对甲烷光催化C-H转化的关键影响

• DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-lcgwv
• 发表时间: 2022
• 期刊: ChemRxiv
• 作者: Sato Hiromasa;Ishikawa Atsushi;Saito Hikaru;Higashi Taisuke;Takeyasu Kotaro;Sugimoto Toshiki
• 通讯作者: Sugimoto Toshiki

光触媒メタン転換における酸化反応場としての金属助触媒

金属促进剂作为光催化甲烷转化中的氧化反应位点

• 发表时间: 2023
• 作者: 斎藤晃;佐藤宏祐;東泰佑;杉本敏樹
• 通讯作者: 杉本敏樹

Sustainable organic synthesis promoted on titanium dioxide using coordinated water and renewable energies/resources

• DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214773
• 发表时间: 2022-12
• 期刊: Coordination Chemistry Reviews
• 影响因子: 20.6
• 作者: M. Yamauchi;Hikaru Saito;T. Sugimoto;S. Mori;S. Saito

メタン添加によるPt/Ga2O3光触媒の水分解活性の向上効果

添加甲烷提高Pt/Ga2O3光催化剂分解水活性的效果

• 发表时间: 2022
• 作者: 斎藤晃;佐藤宏祐;東泰佑;杉本敏樹
• 通讯作者: 杉本敏樹

分子科学研究所 杉本研究室 研究成果

分子科学研究所杉本实验室研究成果