メタンと水からの光触媒的水素製造

甲烷和水光催化制氢

基本信息

批准号：
16686045
负责人：
吉田寿雄
金额：
$ 19.39万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、半導体光触媒を用いた高効率な水の完全分解(H_2O→H_2+1/2O_2)を目指した研究が盛んであり、様々なタイプの光触媒が見出されてきた。またアルコールや炭化水素が共存するとそれらが犠牲剤となって水素が発生すること(H_2O+CH_3OH→3H_2+CO_2)もよく知られている。メタンガスは比較的豊富な炭化水素資源でありH/C比が高いこともあり有望な水素源としても注目されている。われわれは最近、流通系光触媒反応装置にて水とメタンの反応を試みたところ、水素と二酸化炭素が4:1で生成する常温メタン水蒸気改質反応が進行することを確認した(CH_4+2H_2O→4H_2+CO_2)。この反応が理想どおり進行すれば1分子のメタンから4分子の水素が得られることになり、水素製造の物質的効率は高い。本研究では水とメタンから光触媒的に効率よく水素を得ることを目標として、本反応のための高効率光触媒の探索・開発を行い、活性の高い光触媒については、最適条件を検討し、同時に反応スキーム・反応機構を検討し、実用に向けての課題を明らかにし、触媒設計指針を得ることを目的とした。これらのうち本年度は,これまで本光触媒反応に対して最も活性の高かったランタンドープタンタル酸ナトリウム光触媒に関して,活性を著しく向上させるドーパントについて詳細をXAFS等を用いて検討した.ドーパントには,置換されるナトリウムによく似たイオン半径を持ち,かつ価数の大きなカチオンであるランタンが最も効果的であった.ドープ率を変化させると,ドープ率が十分に小さな場合にはランタンはナトリウムに置換した形で存在し,ドープ率とともに活性が向上するが,ドープ率が2%を超えると酸化ランタンに近い局所構造・電子構造をもつランタン種が形成されるようになり,それ以上の活性の向上は見られないことが明らかとなった.

近年来，使用半导体光催化剂的研究积极针对高效水的完全分解（H_2O→H_2+1/2O_2），并且发现了各种类型的光催化剂。众所周知，当酒精和碳氢化合物共存时，它们会成为牺牲剂并产生氢（H_2O+CH_3OH→3H_2+CO_2）。甲烷气体是一种相对较丰富的烃资源，其H/C比具有很高的H/C比，使其成为有前途的氢。我们最近试图在基于分布的光催化反应器中反应水和甲烷，并确认室温甲烷蒸汽重整反应，其中氢和二氧化碳在4：1时产生（CH_4+2H_2O→4H_2+CO_2）。如果该反应是理想进行的，则可以从一种甲烷分子获得四个分子，从而导致氢产生的材料效率很高。这项研究旨在有效地从水和甲烷中获得氢光催化，并搜索和开发高效的光催化剂以寻找该反应。目的是研究高度活性光催化剂的最佳条件，并同时检查反应方案和机制，阐明实际使用的问题，并获得催化剂设计指南。其中，今年，我们研究了使用XAFS等的腺掺杂型坦坦酸钠光催化剂的掺杂剂，这些掺杂剂显着改善了lanthanum掺杂的tantalate光催化剂。最有效的掺杂剂是灯笼，其离子半径与取代的钠相似，并具有较大的价阳离子。当改变掺杂速率时，灯笼以替代钠的形式存在，并且活性随掺杂速率而提高，但是当掺杂速率超过2％时，具有接近氧化灯笼的局部和电子结构的灯笼物种，并且发现活性进一步改善。