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Elucidation of active species on photocatalytic methane conversion using operando spectroscopy and microscopy

使用操作光谱和显微镜阐明光催化甲烷转化的活性物质

基本信息

批准号：
22KJ1427
负责人：
佐藤宏祐
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Institute for Molecular Science (2023)The Graduate University for Advanced Studies (2022)
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 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光触媒反応による高付加価値な分子変換を，高い効率，選択性で実現するには，酸化反応を担う正孔の特性を解明し，その知見に基づいた触媒開発を行うことが必要である。そこで本年度は，光触媒メタン転換反応においてメタンのC-H結合を酸化的に活性化する正孔種の解明を目指した。その結果，触媒表面に存在する水分子（界面水）に捕捉された正孔種が，効率的なメタン転換を担う活性種であることを以下のように見出すことができた。触媒表面を一分子層の水分子で被覆した状態と，触媒表面に水分子が存在しない状態との反応活性を比較したところ，界面水が存在する場合には，メタン転換と水素生成の光触媒活性が数十倍増大することが確認された。この活性増大メカニズムを微視的に明らかにするため，同位体水（D2O）を用いたオペランド赤外分光や分子動力学シミュレーションを実施したところ，界面水に捕捉された正孔種による水素引き抜き反応がメタン転換反応における最初の重要なステップであり，水分子を介さないメタンの酸化反応経路は水分子を介した反応経路と比較して，極めて不利であることが明らかとなった。さらに着目すべき点として，メタンの部分酸化種のひとつであるエタンの生成過程においても，水分子それ自身は反応式（2CH4 → C2H6 + H2）に明示的には関与していないにも関わらず，水によるアシスト効果が顕著に現れていることが確認された。この点を足掛かりに，反応の選択性を決定づける学理の構築にも着手していく予定である。また，当初計画において令和5年度の実施内容として挙げていたオペランド顕微測定について，先んじて着手し始めた。引き続き，触媒動作中の分光計測と顕微計測を組み合わせることで，光触媒反応における活性な正孔に関する微視的な知見を得ることを目指す。

Photocatalyst reaction is characterized by high molecular conversion, high efficiency, selectivity, and high selectivity. This year, the photocatalytic degradation of the C-H bond in the catalyst was highlighted. As a result, the presence of water molecules on the surface of the catalyst (interface water) captures the positive pore species, and the efficiency of the catalyst is reduced. When the catalyst surface is coated with a molecular layer of water molecules, the photocatalytic activity of water molecules on the catalyst surface is increased by several tens of times in the presence of interfacial water. The first important thing to do is to capture the water in the interface. Water molecules in the middle of the acid reaction path water molecules in the middle of the acid reaction path comparison, extremely unfavorable In the process of production of some acidified species, the water molecule itself is expressed in the formula (2CH4 → C2H6 + H2), and the water molecule is confirmed in the process of production. The point of view is to determine the nature of the problem. In addition, the original plan and the implementation of the content of the five-year plan and the implementation of the five-year plan will start from the beginning. In the process of catalyst operation, spectrometer measurement and micro-measurement are combined to obtain the Weishi app knowledge of the activity of photocatalyst.