Spring-8グリンエネルギー研究会（財）大阪科学技術センター、平成23年3月18日

光触媒研究の現状と将来展望光触媒研究 現状と将来展望高機能な酸化チタン光触媒材料の開発と応用展開

安保 正一安保 正大阪府立大学

１. はじめに

光合成反応と光触媒反応

2. 光触媒の機能とそれを利用した実用化の現状環境浄化、セルフクリーニング

汚染大気・水の浄化、悪臭・ウイルス等からの生活環境の保全、超親水化特性、人工骨

3. 太陽光・可視光で機能する新規な酸化チタン薄膜光触媒の創製RFマグネトロンｽﾊﾟｯﾀ法による可視光応答型酸化チタン薄膜光触媒の創製

4. 可視光応答型酸化チタン薄膜光触媒と太陽光による水からの水素と酸素の分離生成と薄膜太陽電池の構築

クリ ンエネルギ としての水素の製造 水の完全分解と水素と酸素の分離生成クリーンエネルギーとしての水素の製造、水の完全分解と水素と酸素の分離生成、薄膜太陽電池および光燃料電池の可能性

5. 今後への課題と展望5. 今後 の課題と展望

アメリカ

エネルギーの輸入依存度 (%) 13/35

アメリカ

イギリス

西ドイツ

フランス

0

フランス

日本

石油の輸入依存度(%)

エネルギーの石油依存度(%)

0

50

0日本 石油依存度(%)

50

5050

輸入石油の中東総輸入額に占める石油輸入額

50

0輸入石油の中東依存度(%)

総輸入額に占める石油輸入額の割合(CIFベース) (%)

潜在的エネルギ 危機の状態グラフは外側に行くほど安定度が高い。潜在的エネルギー危機の状態新しいクリーンエネルギーの創製が切望

地球上の自然エネルギ 資源

14/35

地球上の自然エネルギー資源

年間エネルギ 量 比 率年間エネルギー量 比 率エネルギー源 エネルギー

1012W %

太陽光エネルギー 81,000 66.7

水力エネルギー 40,000 32.9

風 波 ネルギ 370 0 3太 陽 風、波エネルギー 370 0.3

生物エネルギー 40 0.03

重 力 潮汐エネルギー 3

太 陽

重 力 潮汐エネルギー 3

核分裂、重力 火山、温泉エネルギー 0.3 地殻運動 地殻エネルギー 32 0 02地殻運動 地殻エネルギー 32 0.02

総 計 121,445.3 100.00

植物による光合成反応

緑色植物

光触媒による人工光合成 伝導帯

酸化チタン等の半導体材料の利用

（電子）

目標: 太陽光化学の構築太陽光で高効率に機能する光触媒の太陽光で高効率に機能する光触媒の開発により、人工光合成系を構築し、太陽光エネルギーを有効利用すること。

クリーンエネルギー創製

価電子帯（正孔）

クリ ン ネルギ 創製地球環境保全（環境調和型触媒）

酸化チタン光触媒の応用展開

(1-a) 有害物質で汚染された水・大気の浄化 (2-a) 水の分解による水素・酸素の生成

O2

(1) 反応系にH2O と O2が存在する場合

H+(2) H2O のみが反応系に存在する場合（O2 free の場合）C

O2

/ ppm

HO

/ pp

m

－

－

O2－

伝導帯電子 電子 －

H・

Yie

ld o

f C

Reaction Time / minH2

ＣH

3CH

hband gap excitation

(＞ 380 nm)有害有機化合物

HReaction Time / minPhotocatalytic complete oxidation of CH3CHO usinf highly active TiO2 photocatalysts

CO2 + H2O完全酸化

Evac.10

6

8 H2

O

Evac.

s of H

2

+

+OH・ 価電子帯正孔 正孔

(＞ 380 nm)化合物

+ OH・

2 2

0

2

4O2

Yie

lds

OH－ OH－O2可視光応答

型TiO2(1-b) セルフクリーニング特性の利用(超親水化特性、防曇効果)

Irradiation time0 1 2 3 4 5

(2-b) バイオマスを含む水溶液から水素と含酸素化物（二酸化炭素）の生成

θ=45～50° θ=0°hｖ

(接触角)

(超親水化)

有害有機物質を含む汚染大気の無害化・清浄化

実用化への必須条件： 高い光触媒反応性-有害有機化合物を完全にCO2 とH2Oに酸化分解--

C H OH CH CHO CH COOH CO + H OC2H5OH CH3CHO CH3COOH CO2 + H2OFig. Repeating the complete oxidation of CH3CHO on highly active columned-structure TiO2 photocatalysts anchored onto SiO2 sheet, without the use of any kinds of binders. (ANDES Electric Co., LTD/Anpo, Japan)

Fig. Highly active TiO2 photocatalysts can be widely used for various applications such as air cleaners which work to kill such airborne organisms as the Influenza virus (PR8), Staphylococcus aureus (MRSA), and Escherchia coli (ATCC 11229) almostcompletely, more than 99.99%.

光誘起超親水化特性とその高機能化の試み--Ti/Si 混合もしくは多層薄膜化--

Enhancement of photocatalytic activity

S t i i h d hili it

( Anti-fogging effect )Mi d i hSustaining super-hydrophilicity

in dark conditions for long time70

ree Light (fogging) (anti-fogging effect)

Normal mirrorMirror coated with SiO2・TiO2 multi-layered thin film

40

50

60

wat

er /

degr on

Lightoff

20

30

ct a

ngle

s of w TiO2 thin film only (a)

( )(d)

0

10

0 50 100 150

Con

tac

(b)(c) SiO2 thin film coated on

TiO2 thin film (b-d) Fig. A mirror coated with a SiO2/TiO2 multi-layered thin films is applied as such a side-mirror of cars.

Time / h

With Ti/Si mixed or multi-layered oxides, photo-induced super-hydrophilicity can be utilized even under

SiO2

TiO2

For the application, such SiO2/TiO2 multi-layered structure is requiredutilized even under

dark conditions after ceasing UV irradiation.

structure is required.θ=45～50°

θ= 0°

hｖ :in ｔhe presence of H2O and O2

Super-hydrophilicitywater droplet

TiO2 surfaces

歯科治療効果に及ぼすTi表面へのUV光照射の影響

骨との結合能人工歯

Titanium

Lightweight,Durable, Rustless;

High bio compatibilityHigh bio-compatibility To reinforce bones or hip-joints

Gum

硫酸処理を施したTiディスクに殺菌灯でUV光を照射すると、最大で3倍程度まで骨結合能が向上した。(Prof. Ogawa lab of UCLA/Anpo lab of OPU (2008-2009))

Bone

分子サイズから可視光応答型（第二世代）酸化チタンへ-- 局所構造の変化と光触媒反応性の変化 --

ensi

ty /

a. u

.

absorption photoluminescence

h

CB e-

VB h+(Ti3+-O-)*

h

(1) 高分散効果 （シングルサイト）(2) 量子サイズ効果(3)微粒子化効果

UV absorption

Wavelength / nm

inte

200 300 400 500 600Wavelength / nm

電荷移動型励起状態伝導帯

200 300 400 500

(Ti4+- O2-)

h (3) 微粒子化効果(4) 可視光化効果

Ti4+

O2O2 O2

O2-

電荷移動型励起状態伝導帯

-band gap narrowing

50

100

200℃

400℃

ance

/ %

isolated Ti-oxidesingle-site species

O2-O2- O2-

380 nm (UV light) 320 nm

250～300nm

+

550 nm (Visible light)

0200 400 600 800

600℃

Tra

nsm

itta

single-site species

価電子帯

+

基底状態 （シングルサイト光触媒）

（可視光応答型TiO2薄膜光触媒）

Wavelength / nm

1) RF magnetron tt i

N=4.2R=1.83

Ti-O

Ti4+

O2-O2- O2-

O2-

Ti4+

O2- O2-

O2-

Metal ion-implantation

sputtering

Energy / eV4960 5000 0 2 4 6

Distance / Å 酸化チタンナノクラスター半導体TiO2光触媒

anataserutile

Anion-doping

2) Substitution

光触媒活性点の局所構造解析と分子レベルでの光触媒活性の検討各種酸化チタン系

光触媒

バ

酸化チタン光触媒の高機能化の試み--紫外から可視光の広い波長域での高い光触媒反応性 --

光励起光

固体バルクの構造

（粉末および薄膜）

高分散酸化物種

ゼオライト構造y /

a.u.

反応物

O

Si

O

ゼオライト構造

2 / Degree5 10

Intensity

GC-MS生成物

光励起状態

Ti4+

O

XRD ESCA TEM STM

Si

SiO2–

チタン酸化物種

局所構造 反応中間体の検出

光励起状態STM

局所構造 反応中間体の検出

t

XAFS ESR Photoluminescence

Wavelength / nm200 300 400 500 600

g 1 994 A 23 04 G

20000 20500 21000 eV

（原子・分子レベルで構造規制した高機能な光触媒の設計・構築）

ESR NMR

Photoluminescence UV-Vis absorptionESR, FT-IR

g = 1.994, A = 23.04 G

ゼオライト骨格内にシングルサイトな高活性光触媒の構築

Ad f Ti id i l i h l TiO i d i b lk h l

OO

Si i) Spatial separation of the active sites makes it easier to characterize

ii) Off li bl t t f th d i f

Advantages of Ti-oxide single-site photocatalysts over TiO2 semiconducting bulk photocatalysts:

Ti4+

OO

SiSi

ii) Offers an applicable strategy for the design of new catalysts/photocatalysts

iii) Provides an understanding of the reaction mechanisms at the molecular level

1) Restricted and ordered pore structure2) 0.3 - 5.0 nm sized channels and pores3) Various compositions

SiSi ec s s e o ecu eve

) p

a) High efficiency: Active Ti-oxides (framework, anchoring), Condensation of reactants

b) Unique reaction fields of shape selectivity:b) Unique reaction fields of shape selectivity: Highly selective adsorption ability, Applicable to various materials

*O-O2-

Zeolite framework structure

Ti3+

O O

O

(absorption)210 - 260 nm

hvTi4+

O OO

OO210 - 260 nm

O

(Ti-oxide single site) (charge transfer excited state)

M. Anpo, M. Che, Adv. Catal., 44, 119 (1999),M. Anpo, S. Dzwigaj, M. Che, Adv. Catal. (2009).

ゼオライト骨格内に構築したTi-酸化物種の構造と励起状態

Characteristic XAFS (XANES and FT-EXAFS) (left) as well as UV-VIS and photoluminescence spectra (right) of tetrahedrally-coordinated Ti-oxide single-site heterogeneous catalysts

Ti 4+

O 2- Ti-酸化物種の配位構造と光触媒としての反応性と選択性の関係Ti 4

O 2-O 2- O 2-

%

100

% Light60i1 Light Light

Ti-oxide single-site

反応性と選択性の関係

mat

ion

/ %

40rm

atio

n / %

Light Off

20

40

elds

/ µ

mol

•g-T

i-

N2 (and O2)

Light On

Light On

Off

80

Light

or N

2Fo

rm60

40

30

20H3O

H F

or

UV irradiation time / min

00 200 400

Yi

N2O

elec

tivity

fo40

20

20

10vity

for

CH

O2-

O2- O2-

Se

Coordination Number65.554.543.5 6.5

00Sele

ctiv

Ti4+

O2-O2- O2-

Coordination Number

CO + H O CH OH + CHh2NO N2 + O2 (Quantum yield for N2 (and O2) formation: 17.5%)

h

Unit of TiO2CO2 + H2O CH3OH + CH4 (Quantum yield: 0.3 %) Unit of TiO2

semiconducting particles

M. Anpo, J. M. Thomas, Chem. Commun. (Focus Article), pp. 3273-3278 (2006).

ゼオライト骨格内に構築した高活性なTi-酸化物種の可視光照射下での機能化への試み可視光照射 機能化

OOSi

Ti4+

OO

SiSi *O-O2-

SiSi

Ti3+

O

O

(Absorption)210 260 nm

hvTi4+

O OO

O

O210 - 260 nmOO

Zeolite framework

Ti-oxide single-site containing micro- and meso-porous materials showed high and unique photocatalytic reactivity, however, UV light shorter than 260 nm necessary.

Modification of Ti-oxide single-sites constructed within porous materials

structureUV light shorter than 260 nm necessary.

to enable the absorption of visible light

→ Highly efficient and selective environmental-harmonious photocatalysts.

(a) Ti-HMS (b) Ti-MCM-41e / a.u.

e / a.u.

hift

Absorbance

Absorbanceshift shift

W ave leng th /nm

2 00 2 50 3 00 3 50 4 00 4 50 5 00

W ave leng th /nm

2 00 2 50 3 00 3 50 4 00 4 50 5 00g

W ave leng th /nm

Fig. Diffuse reflectance UV-Vis absorption spectra of V ion implanted: (a) Ti-HMS; and (b) Ti-MCM-41 catalysts.I l d V i (f l f i h ) 0 0 66 1 3 2 0 ( l/ )Implanted V ions (from left to right): 0, 0.66, 1.3, 2.0 (mmol/g-cat).

Absorption spectra → Shift to 400 nm regions

*OO2- O OOOV K-edge XAFS spectra suggested:

*Ti3+

OO

O

O-

hvTi4+

OO

O

O

local interaction (Local structure)

Ti

O

O O

OV

O

OSi

O

O O210-260 nm

Development of visible light-responsive Ti-oxide single-site photocatalysts constructed within meso-porous materials was successfully carried out.

O local interaction (Local structure)

H

H

H

OO

SiO

H

H

H

OO

O

Quantum Chemical Calculations(Analysis of catalyst by EXAFS, etc.)

H HTiO

O

OO

O

O

O

V

Si

O

HHO

OO

O

Si

SiO

H

H

HH

H

HO

OO

O

OO

Si

SiH

H

HH

H

H

O

O

OO

O

O

OO

V

Si

TiEnergeticallyStable Unstable

H

Fig. The models of the local structure of the V ion-implanted Ti-oxide incorporating zeolite as calculated by an ab initio method.

O2-O2- Ti3d

p g y

V

O

Ti4+

OOO

Ti4+

OO

Excitation byUV light

(210-260 nm)Emission (350-420 nm)

OOO2p

Interaction of V ions with tetrahedral Ti-oxide single-site difi ti f th l t i t t f th Ti idcauses a modification of the electronic state of the Ti-oxides

Utilization of visible light

イオンビーム法（気相ドライ法）を利用する高機能な酸化チタン光触媒の創製

Target (TiO2)Ion source AcceleratorH tH t

SubstrateSubstrate(A) (B) (C)

酸 光触媒 製

g ( 2) Heater

Glass substratesTiO2thin films

Heater

Glass substratesTiO2thin films

Electricfield

(500 V)

Ti/Si, Ti/B binary oxidethin film＋

＋

＋

Electricfield

(500 V)

Ti/Si, Ti/B binary oxidethin film＋

＋

＋

TiO2 target

Gas plasma(Ar+)

TiO2 target

Gas plasma(Ar+)O2 atmosphere

(2 x 10-4 Torr)

Electron beam

e-

e- e-e-

e-O2 atmosphere(2 x 10-4 Torr)

Electron beam

e-

e- e-e-

e-

Solid surfaceMagnet

S

N

N

S

N

SMagnet

S

N

N

S

N

S

S

N

N

S

N

SCrucible

Ti SiO, B2O3

Crucible

Ti SiO, B2O3

(A) Metal ion-implantation method (B) Ionized cluster beam

deposition method(C) RF-magnetron sputtering

deposition method

Advantages:(1) Contamination with various impurities can be completely prevented. (2) High crystalline TiO2 thin films can be prepared without calcination at high temperatures.(3) The thickness and composition of TiO2-based thin films can be easily controlled.(4) Visible light-responsive TiO2 thin films can be prepared using these techniques.

遷移金属イオンの注入による酸化チタン光触媒の可視光化

太陽光スペクトル

太陽光スペクトルと酸化チタン光触媒（a）、およびCrイオンを注入した酸化チタン光触媒の拡散反射UV VIS吸収スペクトル(b d) (b 2 2 6 6 d 13 0 10 7 l/ )の拡散反射UV-VIS吸収スペクトル(b-d). (b: 2.2, c: 6.6, d: 13.0×10-7 mol/g)

1998年（東京), 2000年（グラナダ）の国際会議で報告。可視光化の研究が始まる。

金属イオン注入の概念、装置外観、注入イオンの分布イオン源 加速器 酸化チタン試料イオン源 加速器 酸化チタン試料

高スピード加速で注入

遷移金属イオン注入の概念図

Fig. V-イオンを注入した(V-TiO2) 触媒における表面から内部へのV-イオンの分布状況。200 keV イオン注入装置

可視光の照射下（ > 450 nm）での光触媒反応性に及ぼす注入遷移金属イオンの種類の影響

> 450 nm

(A)impurity energy level

ｲｵﾝ注入 化学的

Crを化学的(A)および物理的(B)に添加した酸化チタンのUV-VIS吸収スペクトル

(A)(B)implantation

ｲｵﾝ注入

: 物理的ﾄﾞーﾋﾟﾝｸﾞ

化学的ﾄﾞーﾋﾟﾝｸﾞ

C を化学的( )および物理的( ) 添加した酸化チタ S および S クト

XANES FT-EXAFS

Crを化学的(a, A)および物理的(b, B)に添加した酸化チタンのXANES およびFT-EXAFSスペクトル

格子の位置に置換不純物準位を形成 格子の位置に置換

（イオン注入）（化学的添加）

St d S f S i C t l (Proc TOCAT 3) Else ier p 305 310 (1999)Stud. Surf. Sci. Catal., (Proc. TOCAT-3), Elsevier, p. 305-310 (1999), Stud. Surf. Sci. Catal. (Proc. 12th Int. Congr. Catal. (Granada), Elsevier, p. 157-166 (2000), Catal. Lett., 66, 185-188 (2000), ibid, 67, 135 (2000), J. Synchrotron Radiat., 8, 569 (2001), Current Opinion in Solid State Mater. Sci., 6, 381-388 (2002),J. Catal., 216, 505-516 (2003), Bull. Chem. Soc. Jpn., (Award Review), 77, 1442-1462 (2004).

RF-マグネトロンスパッタ蒸着法による可視光応答型酸化チタン薄膜光触媒の創製

Heater

Quartz substrate

TiO2 thin film

N S N

Target (TiO2)

Sputtering Gas : Ar

S

N

S

MagneticField

MagneticField

Fig. Magnetron sputtering deposition methodFig. Magnetron sputtering deposition method Fig. Magnetron sputtering apparatus

PtSubstrate: quartz, Ti, ITO, ect.Substrate temperature: 373 - 9743 K

hv hv

Substrate temperature: 373 9743 KTarget: calcined TiO2

Sputtering gas: Ar (0.5 - 3.0 Pa)RF power: 300 W

TiO2 薄膜光触媒基板

Target-to-substrate distance: 75 mmTiO2 film size: 10 x 20 mm2

TiO2 film thickness: 1.0 – 2.5 m

可視光応答型酸化チタン薄膜光触媒の創製

可視光吸収型

紫外光吸収型透過率

可視光吸収型率/ a. u. %

200 400 600 800波長 / nm

図. RF-ﾏｸﾞﾈﾄﾛﾝｽﾊﾟｯﾀｰ法により調製した酸化チタン薄膜の紫外可視吸収スペクトル基板温度 (K): (a) 373 (b) 473 (c) 673 (d) 873 (e) 973基板温度 (K): (a) 373, (b) 473, (c) 673, (d) 873, (e) 973.

Quantum yields of the evolution of H2 from the CH3OH/H2O aqueous solution and O2 from the AgNO /H O aqueous solution using Pt/Vis TiO thin film photocatalyst were found to be muchAgNO3/H2O aqueous solution using Pt/Vis-TiO2 thin film photocatalyst were found to be much higher than those obtained with other visible light responsive-TiO2 photocatalysts such as the N-doped TiO2 photocatalyst; 3.0% at = 350 nm and 0.52% at = 480 nm.

TiO2 薄膜光触媒の可視光吸収の起源

TiO2光触媒の断面TEM写真

化学量論比を

TiO2光触媒のUV吸収スペクトル

表面組成、O/Ti = 2.00

化学量論比を持つTiO2層（不動態層)

100

Continuous decrease in oxygenconcentration

TiO 内部率/

% 焼成前

50 TiO2 内部の組成、O/Ti = 1.93

O/Ti 組成比が2 00から 1 93に

透過

焼成後

石英基板

2.00 から 1.93に連続的に傾斜的に変化する構造

200 400 600 800

0

Fig Cross sectional TEM image of1 m

石英基板

Fig. The UV-Vis transmission spectra

波長 / nm200 400 600 800

Fig. Cross-sectional TEM image of the Vis-TiO2 (873 K) thin film prepared on a quartz substrate.

of Vis-TiO2-(873 K) thin film before and after calcination at 723 K in O2atmosphere.

UV light

H2O の光触媒分解によるH2 と O2の生成

hvH+ Pt

H2

H2

UV light

粉末光触媒の場合

G.C.

H2O2OH -TiO2

O2O2

H2O粉末光触媒の場合（大きな表面積）

: 逆反応のため反応効率に上限:水素と酸素は混合ガスで生成

逆反応H2O

O2 : 水素と酸素は混合ガスで生成: 光吸収効率が悪い（散乱で）

Pt微粒子 TiO 薄膜光触媒TiO2薄膜光触媒

TiO2薄膜光触媒デバイス

薄膜光触媒の場合（表面積は小さい）

O2H2

金属基板

: 逆反応が起こらない: 水素と酸素が分離して生成:光吸収効率が高い太陽光

Pt TiO : 光吸収効率が高い

H-型反応セル

Pt TiO2

membrane

Effect of pH values > 320nm

TiO2thin filmPt particles

250

300H2

Vis-TiO2 (873 K)m

ol

d H

2, m

ol/h-1

50

Tifoil

200

(873 K)

Uv-TiO2(473 K)H

2an

d O

2/

H2mou

nt o

f evo

lved

0

25

1 2 3 4

H2O2

100

150

O2

(473 K)

f evo

lved

H

2

Am 1 2 3 4

pH value of left side

TiO2Pt

50

Am

ount

s of

O2

TiO2> 320 nm

H-type reactor

TiO2Pt0

0 1 2 3 4 5A

Time / ｈ

pH > 7pH < 7

Fig. Photocatalytic decomposition of H2O with the separate evolution of H2 and O2 under UV light irradiation ( > 320 nm) on the Uv-TiO2 and Vis-TiO2 devices, and the effect of the pH values on the efficiency of the decomposition of H2O into H2 and O2.（ Pt side：1N H2SO4, TiO2 side：1N NaOH aq)

J. Phys. Chem. B, 110, 25266 (2006); Catal. Today, 120, 133 (2006); Appl. Catal. A: General, 314, 179 (2006).

酸化チタン薄膜光触媒による水分解反応の効率に及ぼす基板金属の仕事関数の影響

10・

h-1

(4.2)( ) : Work function of metals (eV)

Metal substrate

6

8

H2

/ mm

ol ( ) : Work function of metals (eV)

C.B.e- light i di tiH+

H2

4

6

volv

ed H

(4.33)Without Pt deposition

Ef

h+ V.B.

irradiationH

2

mou

nt o

f e (4.7)(4.45)(5.12)

(6.35)

h+ V.B.

0Al Zr Ti Fe Pd Pt

Am TiO２ thin filmPt

Fig. The effect of the kinds of substrates on the evolution of H2 from an CH3OH/H2O solution under UV light irradiation of the Vis-TiO2 (873 K) thin film devices.

Metal substratesCH3OH/H2O solution

solution under UV light irradiation of the Vis TiO2 (873 K) thin film devices.

H2 evolution rate strongly depends on the kind of metal substrate.J. Phys. Cherm. B, 110, 25266 (2006), Catal. Today, 120, 133 (2006).

太陽光照射による水の完全分解と水素と酸素の分離生成

太陽光スペクトル90100

(m

ol)

(a.u

.)

90100

(m

ol)

(a.u

.)

Spectrum of the light from sunlight

7080

Hand

O2

(

unlig

ht

7080

Hand

O2

(

unlig

ht

ensi

ty /

a.u.

light from sunlight gathering system

600 800 波長/ nm

200 400

405060 H2

ved

H2

a

sity

of s

405060 H2

ved

H2

a

sity

of s In

te

H2

O

O

太陽光集光装置(UV-cut type )20

3040

O2

of e

vol

ve in

tens

203040

O2

of e

vol

ve in

tensO2

太陽光

O2H2

0100 O2

Am

ount

Rel

ati v

0100 O2

Am

ount

Rel

ati vUv-TiO2 (473 K)

図. 可視光応答型の酸化チタン薄膜光触媒に太陽光を照射することで水から生成する 水素と酸素の１日の

TiO2

Pt 微粒子TiO2薄膜光触媒membrane

0 2 4 6 8Time (h)

A 0 2 4 6 8Time (h)

A

光照射時間 / ｈ午前 9:00 午後4:00

照射することで水から生成する 水素と酸素の１日の生成量の変化。

（H2: 18 18 molmol hh--11, , 322 322 mmolmmol hh--11・・mm--22,, 14.3 14.3 mmolmmol hh--11・・gg--11:: = 0.3 % (Total solar beams)

薄膜光触媒を用いた水分解用H型反応セル

(Photocatalyst device: 10 x 20 mm size)

クリーンな水素製造ルート

太陽エネルギー (太陽光）

熱エネルギー植物エネルギー (光合成）

機械的エネルギー (風車)

電 気 食物連鎖

光触媒分解熱反応 水の電気分解

光触媒分解

2H2O 2H2+O2

水素 (クリーンエネルギー）

燃料電池

究極の燃料電池 23/35

e- e-

太陽光照射下で製造した水素と酸素による燃料電池

2H+ H2O水素と酸素による燃料電池白

金電極

水素 酸素

酸素

水薄膜光触媒で水を分解し 素

水素

水を分解し、水素と酸素を分離して製造。 水

白金薄膜光触媒

太陽光集光装置

分離 製造。太陽光

TiO 2薄膜光触媒

Ti 太陽光集光装置

水分解用反応セル 太陽光を利用した化学反応系

バイオマス水溶液からの水素生成の著しい向上バイオマス水溶液からの水素生成の著しい向上

0 6≥ 450nm

Reaction time profile

0.5

0.6≥ 50

mol

/ h）

H2

H230

≥ 450nm

ol）

0.3

0.4

ved

H2

(mm

2 MeOH

2

H2SO4 aq NaOH aq

152025

ed H

2(m

mo

Vis-TiO2

0.2

0.3

ount

of e

volv

H

UP!5

1015

unt o

f evo

lv

0

0.1

Am

o H2

None (pure H O) 10 vol% MeOH

05

0 20 40 60

Am

ou UV-TiO2

None (pure H2O) 10 vol% MeOHTime (h)

Fig. 1. Separate evolution rate of H2 on the Vis-TiO2thin film under visible irradiation before and after adding an aqueous solution of methanol.

Fig. 2. Separate evolution of H2 from aqueous solution of methanol under visible light.

•Evolution of H2 from an aqueous solution of CH3OH proceeds efficiently using the Vis-TiO2 thin film under visible light irradiation.

PtH+

H2

CH3OH

CO2H2O

•Photocatalytic reactivity was dramatically enhanced in the aqueous solution ofCH3OH.

h+e-

HTiO2 thin film

Aqueous methanol solution

可視光応答型酸化チタン薄膜光触媒による光ー電流変換可視光応答型酸化チタン薄膜光触媒による光ー電流変換 IPCE(%)IPCE(%)光触媒による光 電流変換光触媒による光 電流変換 IPCE(%)

]W/cm[ flux photon[nm] wavelength]A/cm[ densitynt photocurre nm][eV 1240

2

2

μ

μ

IPCE(%)

]W/cm[ flux photon[nm] wavelength]A/cm[ densitynt photocurre nm][eV 1240

2

2

μ

μ

6.0 0 156.0 0 150 156.0 0 156.0 0 150 15

420nm420nm6.0

mA

) 0.10

0.15

rent

(mA

)Vis-TiO2 (HF120)

6.0

mA

) 0.10

0.15

0.10

0.15

rent

(mA

)Vis-TiO2 (HF120)

6.0

mA

) 0.10

0.15

rent

(mA

)Vis-TiO2 (HF120)

6.0

mA

) 0.10

0.15

0.10

0.15

rent

(mA

)Vis-TiO2 (HF120)

0 %UV-TiO2

1.2 %vis-TiO2

2.5 %vis-TiO2(HF120)4.0

ocur

rent

(m

0 00

0.05

Phot

ocur

r

Vis-TiO2 (HF120)

( )4.0

ocur

rent

(m

0 00

0.05

0 00

0.05

Phot

ocur

r

Vis-TiO2 (HF120)

( )

UV-TiO2

Vis-TiO24.0

ocur

rent

(m

0 00

0.05

Phot

ocur

r

Vis-TiO2 (HF120)

( )4.0

ocur

rent

(m

0 00

0.05

0 00

0.05

Phot

ocur

r

Vis-TiO2 (HF120)

( )

UV-TiO2

Vis-TiO2

360nm360nm2.0

Phot

o

470420 520 5700.00

Wavelength of cut-off filters (nm)

(HF120)

Vis TiO

2.0

Phot

o

470420 520 5700.00

470420 520 5700.00

Wavelength of cut-off filters (nm)

(HF120)

Vis TiO

2.0

Phot

o

470420 520 5700.00

Wavelength of cut-off filters (nm)

(HF120)

Vis TiO

2.0

Phot

o

470420 520 5700.00

470420 520 5700.00

Wavelength of cut-off filters (nm)

(HF120)

Vis TiO

10 %UV-TiO2

15 %vis-TiO2

61 %vis-TiO2(HF120)

300 350 400 450 500 550 6000.0

Vis-TiO2

300 350 400 450 500 550 6000.0

Vis-TiO2

300 350 400 450 500 550 6000.0

Vis-TiO2

300 350 400 450 500 550 6000.0

Vis-TiO2

Fig. The effect of the wavelengths of theirradiated light on the photocurrent using TiO

Wavelength of cut-off filters (nm)Wavelength of cut-off filters (nm)Wavelength of cut-off filters (nm)Wavelength of cut-off filters (nm)

Thus visible light responsive TiO thin filmsirradiated light on the photocurrent using TiO2in 0.1 M HClO4 at 1.0 V vs SCE.

Thus, visible light-responsive TiO2 thin films exhibit a potential ability to work as a solid thin film solar cell without any dyes.

Demonstration of Visible Light-responsive TiO2Thin Film Solar Cells

Music box

TiO2 thin film solar cells

10 x 10 mm sheets

Fig. Demonstration of Vis-TiO2 solar cells connected to a music box.

10 x 10 mm sheets

Thus, visible light-responsive TiO2 thin films exhibit a potential ability to work as solid thin film solar cells without any dyes.

公立大学法人 大阪府立大学

2005年に統合 法人化2005年に統合、法人化

大阪府立大学1883年

大阪女子大学1924年

大阪府立看護大学1937年1924年 年

(7研究科、７学部）： 学生数: 8,000名 （学部生、6500名； 大学院生、1500名）

大学院 工学研究科（工学部）、生命環境科学研究科（生命環境科学部）、理学系研究科（理学部） 経済学研究科（経済学部） 人間社会学研究科（人間社会学部） 看護学研究（理学部）、 経済学研究科（経済学部）、人間社会学研究科（人間社会学部）、看護学研究科（看護学部）、 総合リハビリテーション学研究科（総合リハビリテーション学部）

公立大学法人

大阪府立大学大阪府立大学

サイエンス棟と中百舌門

先端バイオ棟サイエンス棟と中百舌

平成24年度から

工学域 生命環境科学域

サイエンス棟と中百舌門

大学改革

先進バイオ棟サイエンス棟と中百舌鳥

工学域、生命環境科学域、

地域保健学域、現代システ

ム科学域に再編。

顔の見える大学、大阪の顔となる強い大学を目指し、更なる改革へ挑戦（選択と集中）

B3棟

地域貢献の重要性

看護学部

獣医学舎

日経グローカル地域貢献ランキング (66位から4位へ）

高度研究型大学 ～世界に翔く地域の信頼拠点～高度研究型大学 世界に翔く地域の信頼拠点具現化するための 21世紀科学研究機構 の役割

21世紀科学研究機構は、学部・研究科の枠を超えた学際あるいは分野横断型研究を進

21世紀科学研究機構とは

21世紀科学研究機構は、学部 研究科の枠を超えた学際あるいは分野横断型研究を進める「21世紀科学研究所」群で構成されています。

「21世紀科学研究所」は、柔軟性と組織性を併せ持つ３群の設置形態の研究所です。21世紀科学研究所」は、柔軟性と組織性を併せ持つ３群の設置形態の研究所です。

世界と地域に貢献する拠点大学としての役割と府民・府政のシンクタンク機能も担う組織と して位置づけられています。と して位置 けられています。

21世紀科学研究所の設置形態

第Ⅰ群: 学部・研究科等の教員が自発的に企画運営する研究所

第Ⅱ群: 戦略的な調査・研究課題を実施するために学長が指定する研究所第Ⅱ群: 戦略的な調査 研究課題を実施するために学長が指定する研究所

第Ⅲ群: 戦略的な調査・研究課題を実施するために学長が開設する機構直轄の研究所

21世紀科学研究所 一覧

第Ⅰ群（21研究所) 第Ⅱ群（9研究所)

21世紀科学研究所 一覧

代表者

勝山 豊

伊藤智博

杉本憲治

研究所名

地域ユビキタス情報通信研究所

構造ダイナミクス研究所

ブ ジ グ 究所

(工学研究科・教授)

(工学研究科・教授)

生命 境科学 究 教授

研究所名

資源循環工学研究所大学史編纂研究所エ サイエンス研究所

代表者

小西康裕山東 功大塚耕司

(工学研究科・教授)(21世紀科学研究機構・教授)( 学研究科 教授)

第Ⅱ群（9研究所)

杉本憲治

小川英夫

奥田修一

青山ヒフミ

石渕久生

ライブセルイメージング研究所

ミリ波テラヘルツ波研究所

量子ビーム誘起反応科学研究所

看護経営システム研究所

計算知能研究所

(生命環境科学研究・教授)

(理学系研究科・教授)

(産学官連携機構・教授)

(看護学部・教授)

(工学研究科 教授)

エコ・サイエンス研究所看護教育教材開発研究センター産学協同高度人材育成センターナノ科学・材料研究センター植物工場研究センターＥＶ開発研究センタ

大塚耕司中村裕美子安保正一安保正一安保正一森本茂雄

(工学研究科・教授)(看護学部・教授)(21世紀科学研究機構・理事)(21世紀科学研究機構・理事)(21世紀科学研究機構・理事)(工学研究科 教授)石渕久生

杉村延広

石田武和

小崎俊司

黄瀬浩

計算知能研究所

看護システム先端技術研究所

ナノファブリケーション研究所

食品安全科学研究センター

文書解析 知識科学研究所

(工学研究科・教授)

(工学研究科・教授)

(工学研究科・教授)

(生命環境科学研究・教授)

(工学研究科 教授)

ＥＶ開発研究センター宇宙科学研究センター太陽光利用材料研究センター

森本茂雄真鍋武安保正一

(工学研究科・教授)（工学研究科・教授)(21世紀科学研究機構・理事）

黄瀬浩一

森 茂生

小関史朗

藤井郁雄

柳 日馨

文書解析・知識科学研究所

信頼性計測科学研究所

分子エレクトロニックデバイス研究所

ケミカルバイオロジー研究所

マイクロリアクターシステム研究所

(工学研究科・教授)

(工学研究科・教授)

(理学系研究科・教授)

(理学系研究科・教授)

(理学系研究科・教授)

研究所名

観 産業戦略 究

代表者

第Ⅲ群（2研究所)

柳 日馨

張 麟声

中村 治

黒田研二

田中宗博

マイクロリアクターシステム研究所

中国語話者の為の日本語教育研究所

西洋古典学研究所

ソーシャルワーク開発研究所

説話文学美術研究所

(理学系研究科・教授)

(人間社会学部・教授)

(人間社会学部・教授)

(人間社会学部・教授)

(人間社会学部・教授)

観光産業戦略研究所エコロジー研究所

橋爪紳也安保正一

(21世紀科学研究機構・教授)(21世紀科学研究機構・理事)

田中宗博

竹安数博

森岡正博

説話文学美術研究所

マネジメント・サイエンスFD研究所

現代生命哲学研究所

(人間社会学部 教授)

(経済学部・教授)

(人間社会学部・教授)

21世紀科学研究機構

植物工場研究センタ第II群の新設研究センターの紹介

植物工場研究センター

植物工場研究センターでの研究内容 第II群研究所

取り組む技術開発の具体的内容 ★緊急課題

総合技術

完全人工光型植物工場低コスト完全人工型植物工場モデルの追及

空調・照明・自動化（生産コスト縮減・品質向上安定化）

生産コスト縮減・経済栽培品目・品質向上安定化

空調

照明

センサ

自動

テクノインテグレーション

調 明サー

化

LED活用 環境制御施設ロボット

★ ★★均一環境

生育斑排除

LED活用

コスト縮減

環境制御

サイエンス農業

施設ロボット

人件費削減特殊育成

機能性作物

亜臨界水処理

残渣処理

太陽光発電

環境配慮

緊急課題の3技術(低コスト)の実現1. 空 調 局所環境制御技術 → 歩留まり約30%改善

20%人件費

20%電気代

20%

★

完全人工光型2. 照 明 ６６０ｎｍ LED応用技術 → 電力約60%削減

3. 自動化 垂直株間制御技術 → 人件費約50%縮減

費その他

40%設備償却

植物工場コスト構成

This book was published last December from Springer, USA.

This book covers all aspect of the fundamentals and applications

of titanium oxide-based Photocatalysts.

ご清聴有難うございましたご清聴有難うございました。

安保 正一大阪府立大学