纳米管中的碘分裂成两部分以消除二氧化碳〜开发利用碳纳米管分解全球变暖气体的光催化剂〜

演示要点

〇二氧化碳（CO₂) 我们开发了一种光催化剂，可以利用太阳能将气体还原并分解为一氧化碳 (CO)。这项研究将有助于遏制全球变暖，全球变暖被认为是异常天气的原因。
〇〇这个太阳能二氧化碳（CO₂）还原（*2）催化剂复合物，我们可以期望降低合成成本并找到光催化剂的广泛实际应用。
〇 开发的光触媒在阳光下高效分解CO2₂

摘要

　工学研究生院生命与应用化学系川崎真司教授和石井洋介助理教授领导的研究小组开发了一种使用单壁碳纳米管的独特光催化剂，该光催化剂可有效利用太阳光中光强度较高的可见光来分解全球变暖气体二氧化碳。这项研究直接有助于解决异常天气等环境问题。
开发太阳能CO₂还原催化剂是可有效吸收可见光的碘化物(*3) (AgI)和可有效还原二氧化碳的碘酸(*4)化合物(AgIO₃)微晶均匀分散并负载在单壁碳纳米管上（图1）。合成这种光催化复合材料的方法独特且非常简单。只需将含有碘分子的单壁碳纳米管浸入硝酸银水溶液中，即可通过歧化反应将两种碘化合物的微晶同时均匀地负载在纳米管上（*5）（图2）。可以降低合成成本并有望得到广泛的实际应用。此外，由于纳米管是复合的，只需将这种光催化复合材料涂覆在绝缘透明聚合物上即可创建柔性透明光催化电极（图3），并且可以安装在各种位置。 CO，作为全球变暖气体已成为一个问题₂
　该研究成果于2021年5月12日（日本时间）发表在Nature Research的Scientific Reports杂志上。

图 1　碘化银 (AgI) 中的电子被阳光（可见光）光激发，转移到碘酸银 (AgIO₃)，科罗拉多州₂到CO。

图 2　图1所示的光催化复合材料可以通过将含有碘分子的单壁碳纳米管浸入硝酸银水溶液中简单地合成。

图 3　通过将图1所示的光催化剂涂覆在绝缘透明聚合物上，可以轻松生产柔性光电极。

研究背景

随着环境问题日益严重，二氧化碳（CO₂) 需要减少。简单地CO₂大气中CO2₂的技术寄予厚望。然而，由于使用化石燃料进行该还原分解是浪费的，因此需要光催化剂来使用可再生能源(具体地，太阳能)进行还原分解。由于太阳光的可见光部分具有高强度，因此需要对可见光做出响应的光催化剂。

研究内容/结果

　有效减少二氧化碳的碘酸银（AgIO₃)具有较大的带隙并且不能有效地利用可见光。人们很早就知道通过结合具有小间隙并且可以吸收可见光的碘化银（AgI）来解决这个问题的方法，但是尚未建立将两者连接的方法，并且合成方法也很复杂。这次，我们的研究小组用一个简单的方法解决了这个问题：将含碘的单壁碳纳米管浸入硝酸银中。关键在于如何有效地使不溶于水的碘发生反应，如何抑制生成的碘酸银和碘化银的晶体生长形成微晶，以及如何解决两种微晶的连接问题。所有这些问题都可以通过使用封装在纳米管中的碘来解决。与普通碘不同，纳米管中的碘具有化学活性，即使不溶于水，也被认为会发生反应。通过使中性碘与银离子反应，我们成功地通过碘的歧化反应同时生成了碘酸银和碘化银。通过从纳米管内部供应反应物，我们能够降低供应速度，抑制晶体生长，并实现微晶化。我们通过将两种微晶分散并支撑在纳米管上，解决了连接两种微晶的问题。
　当使用太阳模拟器用模拟太阳光照射使用这种独特方法合成的光催化复合材料时，CO2₂

社会意义

二氧化碳（人类通过使用石油和煤炭等化石燃料排放的CO₂) 被称为温室气体。温室气体的增加不仅导致全球变暖，还导致异常天气，对人们的生活产生重大影响，包括已通过可持续发展目标的联合国在内的各种论坛都在讨论这一问题。为了解决这些环境问题，二氧化碳（CO₂) 正在呼吁减少。这项研究的重点是大气中的二氧化碳（CO₂)的光催化剂，为解决环境问题做出直接贡献。

未来展望

　我们的目标是通过控制单壁碳纳米管的电子态以及控制碘酸银和碘化银的晶体尺寸来进一步提高光催化性能。此外，在本研究中，二氧化碳（CO₂)，但预计研究还将扩展到太阳能制氢，即利用这种光催化剂从水中产生氢气。

这项研究得到了文部科学省科学研究补助金：基础研究（B）、基础研究（C）和挑战研究（探索）的支持。

术语表

(*1) 单壁碳纳米管：仅由碳原子组成的圆柱形结构，可以容纳各种分子。

(*2) 二氧化碳 (CO₂)减少：CO₂CO、HCOOH、CH₄等等。

(*3) 碘化物：I^-的形式，碘的化合价为-1。

(*4) 碘酸：IO₃^-的形式，在这种情况下，碘的化合价为+5。

(*5)歧化反应：在这种情况下，中性碘(I)分离成+5价碘酸和-1价碘离子。

论文信息

论文标题：可见光CO的一步合成₂来自封装碘分子的碳纳米管的还原光催化剂
作者姓名：Ayar Al-zubaidi、Kenta Kobayashi、Yosuke Ishii、Shinji Kawasaki
出版杂志名称：Scientific Reports
发布日期：2021 年 5 月 12 日（日本时间）
DOI：101038/s41598-021-89706-2
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