効率的なCO優先光酸化のための金で装飾されたCe-Ti混合酸化物

Au-decorated Ce-Ti mixed oxides for efficient CO preferential photo-oxidation.

• Antonia Infantes-Molina
• Andrea Villanova
• Aldo Talon
• Mojtaba Gilzad Kohan
• Alessandro Gradone
• Raffaello Mazzaro
• Vittorio Morandi
• Alberto Vomiero
• Elisa Moretti

抄録

本研究では、CeO2-TiO2ナノ構造体上に担持された金ナノ粒子のCO優先酸化反応(フォトCO-PROX)における光触媒挙動を、チタニアの添加によりセリアの電子バンド構造を変化させ、SPRを用いて金ナノ粒子中で励起された自由電子との相互作用に適したものにすることで調べた。TiO2濃度（0〜20wt%）の異なるCeO2試料を、アルカリ性条件下での低速共沈法により調製した。この合成ルートは界面活性剤を含まず、環境に優しい。Auナノ粒子(1.0wt%以下の担持量)を、堆積沈殿法によりCeO2-TiO2酸化物の表面に堆積させた。また、特殊な形態が光触媒の挙動にどのように影響するかを評価するために、標準的な高速共沈法で調製したベンチマークサンプルも検討した。サンプルは、Ti含有量と調製方法に応じて異なる形態を持つ階層的な針状構造で組織化されているように見え、均一に分布するAuナノ粒子がCe-Ti混合酸化物を飾っている。この形態は、室温及び大気圧下での模擬太陽光照射下で、COをH2以上のCO2に優先的に光酸化することに影響を与えている。Au/CeO2-TiO2系は、非組織化構造を持つベンチマーク試料と比較して、非常に高い活性を示した。最も効率的な試料は、暗所及び模擬太陽光照射下で、それぞれCO2変換率52.9%及び80.2%を示し、CO2選択性は95.3%及び59.4%であった。我々の系統的な分析では、TiO2含有量が15wt%の場合にCO2変換率が最大になるという明確なモルフォロジーと機能性の相関関係が見られました。本研究の成果は、定置用,自動車用,ポータブル発電機用のクリーン燃料として水素を利用するための効果的な戦略の開発に向けた重要な前進である。

We investigated the photocatalytic behavior of gold nanoparticles supported on CeO2-TiO2 nanostructured matrices in the CO preferential oxidation in H2-rich stream (photo CO-PROX), by modifying the electronic band structure of ceria through addition of titania and making it more suitable for interacting with free electrons excited in gold nanoparticles through SPR. CeO2 samples with different TiO2 concentrations (0-20 wt%) were prepared through a slow co-precipitation method in alkaline conditions. The synthetic route is surfactant-free and environmentally friendly. Au nanoparticles (< 1.0 wt% loading) were deposited on the surface of the CeO2-TiO2 oxides by deposition-precipitation. A benchmarking sample was also considered, prepared by standard fast co-precipitation, to assess how a peculiar morphology can affect the photocatalytic behavior. The samples appeared organized in a hierarchical needle-like structure, with different morphology depending on the Ti content and preparation method, with homogenously distributed Au nanoparticles decorating the Ce-Ti mixed oxides. The morphology influences the preferential photo-oxidation of CO to CO2 in excess of H2 under simulated solar light irradiation at room temperature and atmospheric pressure. The Au/CeO2-TiO2 systems exhibit much higher activity compared to a benchmark sample with a non-organized structure. The most efficient sample exhibited a CO conversion of 52.9% and 80.2%, and a CO2 selectivity equal to 95.3% and 59.4%, in dark and under simulated sun light, respectively. A clear morphology-functionality correlation was found in our systematic analysis, with CO conversion maximized for a TiO2 content equal to 15 wt%. The outcomes of this study are a significant advancement toward the development of an effective strategy for exploitation of hydrogen as a viable clean fuel in stationary, automotive and portable power generators.