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月刊機能材料 2017年4月号

【特集】人工光合成―水の分解から二酸化炭素の資源化まで―

商品コード: M1704

  • 監修: 天尾豊
  • 発行日: 2017年4月5日
  • 価格(税込): 4,320 円
  • 体裁: B5判
  • ISBNコード: 0286-4835

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著者一覧

天尾豊  大阪市立大学
阿部竜  京都大学
栗木亮  東京工業大学
前田和彦  東京工業大学
池田茂  甲南大学
寺村謙太郎 京都大学
田中庸裕  京都大学
山本宗昭  名古屋大学
吉田朋子  大阪市立大学
竹内良知  新潟大学
佐藤翼  新潟大学
八木政行  新潟大学
岡村将也  名古屋大学
正岡重行  分子科学研究所
山下哲  金沢大学
高橋征司  東北大学
松本勉  横浜国立大学

目次

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【特集】人工光合成―水の分解から二酸化炭素の資源化まで―

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監修にあたって
Introduction

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太陽光水素製造に向けた可視光応答性混合アニオン型光触媒の開発
Development of Mixed-Anion Semiconductor Photocatalysts with Visible Light Response toward Solar Hydrogen Production

 光触媒を用いた水の分解による水素製造を実用化するためには,太陽光の大部分を占める可視光の有効利用による太陽光エネルギー変換効率の大幅な向上が必須である。本稿では,可視光利用の有効な手段の1つとして植物の光合成を模倣した二段階励起型水分解系とともに,新規な可視光応答性混合アニオン型光触媒を紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. 光触媒水分解系における可視光利用の難しさ
3. 可視光利用のための混合アニオン導入:原理と課題
4. オキシナイトライドの二段階励起型水分解への応用
5. 安定な新規オキシハライド系光触媒

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カーボンナイトライドと金属錯体からなるハイブリッド材料を光触媒とした二酸化炭素還元反応
Photocatalytic CO2 Reduction Using Hybrids of Carbon Nitride and a Metal Complex

 太陽光をエネルギー源とした二酸化炭素の還元反応は,クリーンかつ持続可能なエネルギー生産システム構築の観点から注目を集めている。半導体と金属錯体は,二酸化炭素の還元反応に対して有望な光触媒である。しかしながら,両者は一長一短の特徴を有している。そのため近年では,両者の長所を融合したハイブリッド型の二酸化炭素還元光触媒系が注目されている。本稿では,我々が開発した有機半導体カーボンナイトライドと金属錯体からなるハイブリッド材料を用いた二酸化炭素還元光触媒系についての成果と展望を述べる。

【目次】
1. はじめに
 1.1 金属錯体光触媒
 1.2 半導体光触媒
2. 半導体と単核金属錯体からなるハイブリッド光触媒
 2.1 動作機構
 2.2 金属錯体触媒の最適化
 2.3 反応溶媒の効果
3. mpg-C3N4とRu二核錯体からなるハイブリッド光触媒
 3.1 動作機構
 3.2 担持金属種の影響
4. まとめ

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水の還元による水素発生のための高機能Cuカルコゲナイド光カソードの開発
Developments of Highly Active Cu-Based Calcogenide Photocathodes for Water Reduction

 太陽エネルギーを蓄積可能な化学エネルギーに変換する,「人工光合成」技術の中で,半導体材料を用いる水の分解による水素製造は,もっとも進んでいる研究の一つである。ここでは,p型のカルコゲナイド化合物半導体薄膜を用いる水の還元反応についての筆者らの最近の研究結果を概説する。

【目次】
1. はじめに
2. CuInS2光電極
 2.1 CuInS2薄膜の概要
 2.2 CuInS2薄膜の作製
 2.3 CuInS2薄膜の水分解光カソード特性:表面修飾の効果
3. Cu2ZnSnS4光電極
 3.1 Cu2ZnSnS4薄膜の概要
 3.2 電気化学法によるCu2ZnSnS4薄膜の作製と太陽電池特性
 3.3 Cu2ZnSnS4薄膜の水分解光カソード特性
 3.4 バイアスフリー水分解

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全固体型光触媒を用いた水を電子源とする二酸化炭素の光還元
Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide by Water as an Electron Donor over All-Solid-State Photocatalysts

 これまでに我々はAgを修飾したZnGa2O4/Ga2O3,La2Ti2O7,SrO/Ta2O5,ZnGa2O4,ZnTa2O6,Sr2KTa5O15が水を電子源とする二酸化炭素の光還元において,高い選択性でCOを生成し,同時に量論量のO2が生成することを見出した。

【目次】
1. はじめに
2. H2Oを電子源とするためには?
3. H2Oを電子源とするCO2の光還元
4. まとめ

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半導体光触媒による二酸化炭素の還元
Reduction of Carbon Dioxide over Semiconductor Photocatalysts

 半導体光触媒による二酸化炭素還元を表面反応の観点から解説する。銀担持酸化ガリウム光触媒への二酸化炭素の吸着挙動をin-situ FT-IR測定で追跡し反応メカニズムを提案した。さらにXAFS,TEM測定からAg助触媒の構造・電子状態を詳細に解析し,Ag助触媒が反応メカニズムに与える影響について考察した。

【目次】
1. はじめに
2. 銀担持酸化ガリウム(Ag/Ga2O3)光触媒の二酸化炭素還元反応メカニズム
3. Ag助触媒の幾何学的構造・電子状態
4. Ag助触媒の幾何学的構造・電子状態の二酸化炭素還元反応メカニズムへの影響
5. おわりに

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人工光合成のための水の酸化アノード
Anodes for Water Oxidation toward Artificial Photosynthesis

 人工光合成では水を電子源とする必要があるため,水の酸化アノードの開発は最も重要な研究課題の一つである。人工光合成デバイスの水の酸化アノードに関する当研究室の最近の研究成果を紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. 酸化イリジウムのナノ構造制御
 2.1 動作機構
 2.2 高分子ミセルを用いたメソポーラス酸化イリジウムの合成とナノ構造制御
3. コバルトオキシ水酸化物アノード
4. おわりに

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酸素発生触媒の開発―金属錯体によるアプローチ―
Development of Molecular Water Oxidation Catalysts

 人工光合成の実現に向け,酸素発生触媒の開発は重要な課題の一つである。分子レベルで構造や機能を精密に制御できる金属錯体は,酸素発生触媒を開発するための魅力的な材料として注目を集めてきた。本稿では,金属錯体を用いた酸素発生触媒の開発研究に関して,歴史的な成果から最近の動向までを紹介する。

【目次】
1. 人工光合成における酸素発生反応
 1.1 触媒機能評価の手法
2. 金属錯体触媒を用いた酸素発生反応
 2.1 二核錯体
 2.2 単核錯体
 2.3 第一遷移金属錯体触媒
3. おわりに

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生体触媒を用いた人工光合成:二酸化炭素の資源化
Artificial Photosynthesis with Biocatalyst for Using Carbon Dioxide as Resources

 本稿では,生体触媒と色素分子を複合化し,可視光エネルギーを用いた二酸化炭素-ギ酸・メタノール変換反応(二酸化炭素の光還元)と,二酸化炭素をカルボキシル基の原料とし,有機分子への導入に基づく炭素-炭素結合生成を可能とする(二酸化炭素の資源化)人工光合成系について紹介する。

【目次】
1. はじめに
2. 生体触媒を利用した人工光合成の原理
3. 生体触媒を利用した二酸化炭素を光還元するための人工光合成系
4. 生体触媒を用いた二酸化炭素をメタノールに光還元するための人工光合成系
5. 生体触媒を用いた二酸化炭素を資源とした炭素-炭素結合生成を可能とする人工光合成系
6. おわりに

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[ Material Report -R&D- ]

パラゴムノキの天然ゴム生合成酵素の試験管内再構成
In vitro Reconstitution of Natural Rubber Synthesizing Enzime from Para Rubber Tree

 本稿は,パラゴムノキの天然ゴム生合成機構において,長らく未解明であった鍵酵素の分子的実体解明について論じる。同酵素は無細胞タンパク質合成系を利用して活性発現が初めて可能になり,本システムを技術的基盤として,より詳細な天然ゴム合成酵素の触媒機能の解明と新規な材料開発などへの応用が期待できる。

【目次】
1. はじめに
 1.1 天然ゴムについて
 1.2 天然ゴムの化学構造
2. 天然ゴムの生合成機構
 2.1 パラゴムノキの天然ゴム生合成
 2.2 ポリイソプレン生合成酵素
 2.3 パラゴムノキ天然ゴム生合成関連タンパク質の単離
 2.4 天然ゴム生合成酵素の試験管内再構成
3. おわりに

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<連載>IoT時代のセキュリティ対策―繋がる時代に求められる安心・安全―(1)

IoTとセキュリティ
IoT and Security

 多数の機器が繋がり新しい価値を創出することが期待されるIoTは,その健全な発展のために適切なセキュリティが必要であろうことは明らかであるが,その勘所は何であるかを考察する。

【目次】
1. はじめに
2. IoTシステムの概観
3. IoTシステムのセキュリティ
4. IoTにおける信用とセキュリティ
5. IoTシステムのセキュリティ向上に向けて
6. むすび
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