Space application of GaN photocatalyst

GaN光催化剂的空间应用

基本信息

批准号：
21K05154
负责人：
坂間弘
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Sophia University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

宇宙で使うことのできる光触媒としては、酸化物は不適当である。これは、反応中に酸化物中の酸素が消費されることによって酸素空孔による欠陥準位が生じ、欠陥準位を介した電子―正孔再結合が促進され光触媒反応が停止してしまうことによる。実際、二酸化チタン（TiO2）や酸化ジルコニウム（ZrO2）は真空中では約２日で光触媒活性を失った。一方、酸素を含まない窒化物光触媒は失活しない可能性がある。そこで、窒化物光触媒として、結晶性の比較的良好な薄膜が得られやすいGaNとAlNを選び、第一段階としてこれらの光触媒の大気中での光触媒活性を評価した。GaN光触媒による水の分解については多くの報告があるが、有機物質の分解に関する報告はほとんどない。そこで、GaNとAlNをサファイア基板上に成長させた薄膜光触媒を使い、その上にメチルレッドをスピンコート法で塗布し、大気中で重水素ランプからのUV光を照射して、照射前後の吸光度スペクトルを分光光度計で測定した。メチルレッドの吸収ピークの最大値を求め、その吸光度をUV光照射時間に対してプロットし、吸光度が照射時間に対して線形的に減少すると仮定して、その傾きから分解速度を求めた。その結果、GaNの場合の分解速度は0.0033(h^-1)で、一方AlNの場合の分解速度は0.0055(h^-1)となり、AlNの方がGaNより分解速度が大きいことがわかった。重水素ランプからのUV光は連続スペクトルを持つため、UV光の吸収率はAlNよりGaNの方が大きいと思われる。にも拘わらずAlNの方が分解速度が大きい理由として、（１）AlNの酸化力がGaNより大きい（正孔エネルギー換算で約2eV大きい）、（２）GaN薄膜に欠陥が多く結晶性が悪い、その結果、光励起された電子と正孔の再結合確率がGaN薄膜の方で大きく、量子効率が小さい、という可能性が考えられる。

氧化物是可以在空间中使用的光催化剂的不合适的。这是因为在反应过程中消耗了氧化物中的氧气，导致由于氧空位导致缺陷水平，从而促进了通过缺陷水平来促进电子孔重组，从而导致光催化反应停止。实际上，二氧化钛（TIO2）和氧化锆（Zro2）在真空中大约两天内失去了光催化活性。另一方面，不含氧气的氮化物光催化剂可能不会停用。因此，将可能产生相对良好的结晶度薄膜的GAN和ALN选为硝酸盐光催化剂，并且作为第一步，评估了这些光催化剂在大气中的光催化活性。有很多关于GAN光催化剂对水分解的报道，但是关于有机材料分解的报道很少。因此，使用了薄膜光催化剂，其中将gan和aln生长在蓝宝石底物上，并通过自旋涂层将甲基红色施加到膜上，并在大气中辐射来自氘灯的紫外线，并使用分类器测量辐照前后的吸收光谱。确定甲基红的吸收峰的最大值，并在紫外光照射时间绘制吸光度，并根据斜率确定分解速率，假设吸光度相对于辐射时间线性降低。结果，GAN的分解速率为0.0033（H^-1），而ALN的分解速率为0.0055（H^-1），表明ALN比GAN更分解速率。由于来自氘灯的紫外线具有连续的光谱，因此人们认为GAN的吸收率高于ALN。尽管如此，ALN的分解率较高的原因是，（1）ALN的氧化能力大于GAN（孔转化孔转换的大约2ev），（2）Gan薄膜具有许多缺陷和结晶度差，因此，在光塑料电子和孔中的重组可能性更大，孔中的孔中的薄膜较大，并且较小。