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Hole-induced plasmonic photocatalyst electrode for near-infrared utilized solar hydrogen production

用于近红外利用太阳能制氢的空穴诱导等离子体光催化剂电极

基本信息

批准号：
21K05236
负责人：
納谷真一
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kindai 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

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05236/
关键词：
プラズモニック光電極ヘテロエピタキシャル接合ドメインマッチングホットスポット光触媒による水の分解正孔誘起プラズモン共鳴ホットホール移動プラズモニック光触媒正孔誘起プラズモンソーラー水素合成光電極 p型半導体

项目摘要

多くのホットキャリア移動型プラズモニック光触媒で共通である光捕集－ホットキャリア注入－電荷分離からなる一連の物理プロセスの効率向上のための指針を得るため、最も代表的なプラズモニック光触媒である金ナノ粒子担持酸化チタン（Au/TiO2）において未解明であったTiO2結晶型効果の原因を検討した。担持されたAuナノ粒子の形状およびTiO2との接合界面を詳細に解析した結果、Au(111)面の結晶格子4つ分とルチル型TiO2（110）面の結晶格子3つ分が、ドメインマッチング（DM）によるヘテロエピタキシャル（HEPI）接合を形成することで、金ナノ粒子に異方性（ファセット化）が誘起されることが明らかとなった。FDTD法を用いた理論計算により、金ナノ粒子のファセット化で酸化チタンとの界面に強い局所電場が誘起される結果、プラズモニック光触媒の活性が大幅に増大することが明らかになった。この設計指針を元に、担体であるR-TiO2を（110）面が支配的であるナノロッドとすることで、90％を超えるファセット化確率と3－4倍の活性向上を達成した。HEPI接合の形成は、バルクではミスマッチが0.3％未満でしか形成されないのに対し、ナノ粒子間では数％のミスマッチも許容される。さらに、ドメインマッチングにより、その組み合わせの可能性が飛躍的に増大することから、非常に多くの材料の間でのHEPI形成が期待できる。これにより、プラズモニック光触媒の可能性を大きく広げることが出来たと考えている。

The efficiency of multi-phase photocatalysts is improved by increasing the number of particles supported on TiO2 (Au/TiO2) and increasing the number of particles supported on TiO2. The shape of the supported Au particles and the bonding interface of TiO2 were analyzed in detail. The results showed that the crystal lattice of Au(111) plane was divided into 4 groups and the crystal lattice of TiO2 (110) plane was divided into 3 groups. The formation of HEPI bonding was discussed. The anisotropy of Au particles was induced. FDTD method is used to calculate the intensity of the electric field induced by the surface of the metal particles. The activity of the photocatalyst increases greatly. The design index, support, R-TiO2 (110) surface dominate, 90% accuracy, 3-4 times activity. HEPI junction formation is 0.3% non-formation, and the number of particles is allowed. The possibility of forming HEPI between materials is expected to increase dramatically. The possibility of photocatalysts is very high.