研究代表者・研究課題

HOME 研究代表者・研究課題 平成25年度採択 石谷治

化学の力で太陽光エネルギーを分子に蓄える | 石谷治 | 東京工業大学 理学院 教授 | 専門:光反応科学、金属錯体の光機能、光触媒

課題名|Research Theme

太陽光の化学エネルギーへの変換を可能
にする分子技術の確立

概要|Outline

人工光合成技術の実用化の概念図

人類は、エネルギーや炭素資源の不足と地球温暖化という従来の技術では解決が難しい3つの難問に直面しつつあります。もし植物の光合成のように、太陽光と水、そして二酸化炭素から高エネルギー物質を作ることができれば、これらの深刻な問題を一度に解決できる可能性があります。本研究では、二酸化炭素を還元固定化するために必要な、金属錯体光触媒開発の分子技術を極め、さらには半導体光触媒との複合化等により、二酸化炭素の資源化を可能にする新たなサイエンスを構築します。

特色|Feature

可視光をエネルギー源、水を還元剤として用いCO2の還元を効率よく行うことのできる光触媒は未だ開発されていない。また、これまで開発されてきた光触媒は希少金属を使うものに限られている。これらの問題を解決するための新たな分子技術を、我々のこれまでの知識と経験を基盤とした大胆な分子設計と、多様な半導体との複合化や新しいシステムの構築とを組み合わせにより、飛躍的に高めることを目指す。

研究代表者

石谷 治
東京工業大学 理学院 教授 研究室HP

主たる共同研究者

小池 和英
産業技術総合研究所 環境管理技術研究部門 主任研究員
野崎 浩一
富山大学 大学院 理工学研究部 教授
 
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3年度の成果|Results Y2015

図.Cu(I)2核錯体を光増感剤、Fe(II)錯体を触媒として用いたCO2光還元触媒反応

これまでの研究成果(インパクト)

  • 最も高効率かつ高耐久性を示す、CO2をギ酸に選択的に還元する光触媒の開発に成功
    Ru(II)3核錯体を光触媒とし、新たに開発した還元剤を用いることで、これまで報告された中で最も高効率かつ高耐久性を示す、CO2をギ酸に選択的に還元する光触媒の開発に成功した。
  • Cu(I) 錯体とFe(II)錯体を用いたCO2光還元触媒反応系の開発
    Cu(I)2核錯体を光増感剤、Fe(II)錯体を触媒として用いたCO2光還元触媒反応系の開発に世界に先駆けて成功した(図)。
  • 超分子錯体光触媒と半導体電極からなるCO2還元反応用光カソードを開発
    Ru(II)-Re(I)超分子錯体光触媒とCuGaO2半導体電極からなるCO2還元反応用光カソードの開発に成功した。
  • 水中で機能するRu(II)複核錯体−半導体複合体光触媒を開発
    Ru(II)複核錯体-Ag担持TaON複合光触媒が水中でもCO2を効率よく還元し、ギ酸を高選択的に生成することを明らかにした。
  • 超分子光触媒ー有機半導体複合光触媒の開発
    Ru(II)複核錯体もしくはRu(II)-Re(I)異種2核錯体を、有機高分子半導体であるカーボンナイトライド(C3N4)に吸着担持した複合体を光触媒として用いることでCO2が効率よく進行することを見出した 。

今後の進め方

  • 平成27年度に開発したRu(II)-Re(I)超分子錯体光触媒とCuGaO2半導体電極からなるCO2還元反応用光カソードと水を酸化できる光アノードを組み合わせることにより、水を還元剤としたCO2の光触媒還元を達成する.
  • 半導体微粒子とのハイブリッド光触媒に最適な超分子錯体光触媒開発のための分子技術を確立する。特に、異相界面における電子移動に着目して研究を行う。
  • FeおよびMn錯体をCO2還元の触媒、Cu錯体をレドックス光増感剤として用いた反応の機構解明を目指すと共に、性能をさらに向上させる。
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2年度の成果|Results Y2014

図1:Re-TEOAによるCO2捕捉反応

これまでの研究成果(インパクト)

  • レニウム(I)錯体を用いることで低濃度CO2の高効率電気化学的還元を達成
    図1の反応で、低濃度においてもCO2がRe(I)錯体内に取り込まれる。生成したRe-CO2 TEOA錯体を用いて電気化学的に還元すると、効率よくCOが生成した。
  • マンガン(I)錯体による低濃度CO2の高効率な捕集反応の発見
    図1と同様のCO2捕集反応を、Mn(I)錯体でも達成できることを見いだした。Mn(II)錯体は、CO2還元触媒として注目を集めている。
  • 遷移金属錯体によるCO2捕捉能を理論的に予測することに成功
    分子軌道計算により、Re(I)およびMn(I)錯体のCO2捕集反応に関して予測する手法を確立した。
  • 水溶液中においても、Ru(II)-Re(I)超分子錯体光触媒がCO2を効率よく還元できることを証明した 。
  • Ru(II)-Re(I)超分子錯体光触媒とNiOを融合した光カソードを用いることで光電気化学的CO2還元を達成した。
  • これまで報告されたCO2還元光触媒の中で最も耐久性の高い光触媒系を開発(TONHCOOH = 13000)した。

今後の進め方

  • 水を還元剤としたCO2の還元を,、これまで開発してきた超分子光触媒を中核として構築された2つのシステムで達成することを目指す。
  • 鉄およびマンガン錯体のCO2還元触媒としての機能を向上させる。また、銅錯体のレドックス光増感剤としても機能の向上を目指す。
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初年度の成果|Results Y2013

図1:開発に成功したMn錯体とRu錯体を用いたCO2還元光触媒系: Takeda, H. and Ishitani, O. et al, Photocatalytic CO2 reduction using a Mn complex as a catalyst. Chem. Commun. 2014, 50, 1491-1493.

これまでの研究成果(インパクト)

  • 可視光で駆動するCO2還元金属錯体光触媒を飛躍的に高機能化するために必用な分子技術の確立
    超分子光触媒の架橋配位子に酸素原子を導入することで、最も効率のよいCO2還元光触媒の開発に成功した。この錯体には、CO2を効率よく分子内に取り組む機能があることを見出した。
  • 元素戦略に則った光触媒の開発
    Mn(I)錯体を触媒として用いたCO2の還元光触媒系を世界で初めて開発することに成功した。本光触媒反応の初期において、Mn錯体はレドックス反応を経由したクラスター化を起こし、このMnクラスターが真の触媒として機能するユニークな機構で進行することが明らかになった(図1)。
  • 超分子錯体光触媒-半導体光触媒ハイブリッドによるCO2還元
    Ru(II)-Ru(II)超分子錯体光触媒とAg担持TaONとで構成されるZ-スキーム型光触媒の性能向上と反応系の多様化に成功した。
  • 水中における超分子錯体光触媒の挙動解明
    水単一溶媒中でCO2還元を駆動する初めての超分子光触媒の開発に成功した。

今後の進め方

  • RuやReなどの稀少金属をまったく用いないCO2還元光触媒の開発を目指す。
  • Z-スキーム型光触媒の、さらなる性能向上と反応系の多様化を進める。さらに、水を還元剤とする系への発展を試みる。

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