水素とナノファイバーを同時合成する光触媒を開発~次世代水素社会への貢献に期待~

2025-08-27 北海道大学

北海道大学大学院理学研究院の小林厚志准教授ら研究グループは、セルロースから水素とセルロースナノファイバー(CNF)を同時合成できる光触媒を開発しました。白金担持酸化チタンナノ粒子に2種類の金属錯体色素を逐次積層した二層化光触媒DDSPを作製し、セルロース酸化触媒TEMPOと組み合わせることで、室温・水中・青色光という環境負荷の低い条件下で水素とCNFを得ることに成功しました。触媒活性は色素担持条件に依存し最大90倍の差が生じ、機械学習解析により色素の担持順序と結合量が重要因子であることを特定しました。セルロース紙や木質ペレットを用いた実証実験でも水素生成が確認され、セルロースの新たな資源利用の可能性を提示しました。本成果は、光触媒合成、分光分析、データ科学を融合させた研究により実現し、経験依存に頼らない複雑系触媒設計の道を開いたものです。今後、持続可能な水素社会の実現やCNFの高機能材料利用に貢献が期待されます。

水素とナノファイバーを同時合成する光触媒を開発~次世代水素社会への貢献に期待~
図 1. ⾊素担持条件を変えた PRCC 系(6 種類)の(横軸)光照射時間に対する(縦軸左)⽣成⽔素量及び⾊素1分⼦あたりの触媒回転数(縦軸右:PS TON)のプロット

<関連情報>

Photocatalytic dissolution of cellulose for hydrogen and nanofiber production: unveiling crucial factors via experiments and informatics セルロースの光触媒的溶解による水素とナノファイバー生産:実験とインフォマティクスに基づく重要因子の解明

Atsushi Kobayashi, Atsushi Miura and  Keisuke Takahashi
RSC Sustainability  Published:26 Aug 2025
DOI:https://doi.org/10.1039/D5SU00054H

Abstract

The efficient utilization of biomass resources and solar energy is necessary for next-generation sustainable carbon-neutral societies. Although cellulose is the most abundant biomass on Earth, its utilization as a carbon resource is hampered by its strongly stabilized polymer-bundled structure. In this study, a new photoredox cascade catalyst (PRCC) conversion system was developed by combining dual-dye-sensitized Pt-cocatalyst-loaded TiO2 nanoparticle photocatalysts (DDSPs) and a 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) oxidation catalyst for the production of cellulose nanofibers and hydrogen from various cellulose substrates (powder, paper, sponge, and wood pellets) under blue light irradiation without the use of strong acids/bases. UV-vis absorption and emission spectroscopy revealed that the loaded amount of the Ru(II) dye on the TiO2 surface was successfully controlled in the range of 353–667 nmol/1 mg TiO2, and the immobilization order of two Ru(II) dyes significantly affected the energy- and electron-transfer behaviors between the Ru(II) dyes and TiO2 nanoparticles. Our systematic evaluation of the photocatalytic activity and machine learning analysis of 12 different DDSPs revealed that the immobilization order of the two Ru(II) dyes, full coverage of the TiO2 nanoparticle surface with suitable Ru(II) dye molecules, and Zr4+ cation loading are crucial factors for achieving a high apparent quantum yield for the hydrogen-evolving PRCC conversion of cellulose to nanofibers (max. 1.62% at 467 nm excitation for the initial 1 h of reaction in a 0.3 M cellulose aqueous dispersion). The findings contribute to the development of an environmentally benign photocatalytic approach for the conversion of cellulosic biomass as a carbon resource into valuable organic products.

0502有機化学製品
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