新規エネルギー変換材料による水素製造

利用新能源转换材料制氢

基本信息

批准号：
11874096
负责人：
原亨和
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

これまでの研究から、数多くの単純な金属酸化物の中でNiO、Co_3O_4、Cu_2O、Fe_3O_4、RuO_2、IrO_2のみがメカノキャタリシスによる水の全分解反応の触媒となることが明らかになった。同じ反応条件ではでNiO、Co_3O_4が高い触媒活性を示す一方、RuO_2、IrO_2は低活性であった。この触媒反応は前述のように反応容器底面とその上で回転する回転体の間に挟まれた触媒粒子に力学的エネルギーが加えられて進行するが、その水の分解活性は触媒の粒径、回転体の形状、回転体と反応容器底面の間にかかる圧力に大きく依存した。触媒粒経がサブミクロンオーダーの場合、反応容器底面と回転する攪拌子の間にある小さな触媒粒子に充分な力学的エネルギーが与えられないために水分解活性は非常に小さい。平らな反応容器底面に回転体を線接触した時の活性は面接触の場合より高く、回転体を反応容器底面に押し付ける力に比例して水の分解速度が大きくなった。これらの結果は触媒粒子に加えられる圧力が高いほど触媒に与えられる力学的エネルギーが大きくなり、水の全分解速度が速くなることを示している。各々の反応条件下、これらの金属酸化物触媒の中でNiOが最も高い水の分解活性をもち、力学的エネルギーの変換効率は4-10%に達した。一方、RuO_2、IrO_2は最適条件下においても低い活性しか示さなかった。また、NiO、Co_3O_4、Cu_2Oを用いて反応メカニズムの解明が試みた結果、反応条件下でこれらの金属酸化物表面の一部は金属まで還元され、再び元の酸化物に戻ることが明らかになった。このことは触媒表面でレドックス反応が進行していることを示している。分光学的な解析も行われ、水がない状態でCu_2Oに力学的エネルギーを回転体によって与えると波長600nm未満(>2.1eV)の発光が検出された。Cu_2Oのバンドギャップエネルギーが2.1eVであることを考慮すると、力学的エネルギーを与えられたCu_2Oでは電子のバンドギャップ遷移が起きていることが考えられる。他の触媒の分光学的実験は現在継続中であるが、Cu_2Oのメカノキャタリシスでは力学的エネルギーがバンドギャップ遷移を起し、これが触媒表面でのレドックス反応のドライビングフォースとなっていることが予想された。

先前的研究表明，在许多简单的金属氧化物中，只有NiO，CO_3O_4，CU_2O，FE_3O_4，RUO_2和IRO_2是通过机械催化总体分解水的催化剂。在相同的反应条件下，NIO和CO_3O_4表现出较高的催化活性，而RUO_2和IRO_2较低。如上所述，这种催化反应是通过将机械能施加到夹杂在反应容器底部表面和旋转旋转的催化剂颗粒上，但是水的分解活性在很大程度上取决于催化剂的颗粒大小，旋转体的形状以及压力在反应容器的底部表面之间施加。当催化剂晶粒处于亚微米的顺序上时，分解水的活性很小，因为反应容器底部和旋转搅拌器之间的小催化剂颗粒未提供足够的机械能。反应容器平坦接触转子时的活性高于表面接触中的活性，并且水分解速率与将转子压在反应容器底部的力成正比。这些结果表明，施加到催化剂颗粒的压力越高，施加到催化剂的机械能越大，并且水的总分解速率越高。在每个反应条件下，NIO在这些金属氧化物催化剂中的水分分解活性最高，机械能的转化效率达到4-10％。另一方面，即使在最佳条件下，RUO_2和IRO_2也仅显示出较低的活动。此外，尝试使用NIO，CO_3O_4和CU_2O阐明反应机理，发现在反应条件下，这些金属氧化物的某些表面被还原为金属并再次返回到原始的氧化物。这表明氧化还原反应正在催化剂的表面上进行。还进行了光谱分析，当在没有水的情况下通过转子将机械能应用于Cu_2O时，检测到小于600 nm（> 2.1 eV）的发射。考虑到Cu_2O的带隙能为2.1 eV，在给定的机械能中，电子带隙过渡可能发生在Cu_2O中。尽管目前正在进行上其他催化剂的光谱实验，但可以预测，Cu_2O机械能量中的机械能导致带隙跃迁，这是催化剂表面氧化还原反应的驱动力。