Improvement of Z-scheme photocatalysis based on control of electron transfer utilizing electrochemical techniques

本研究課題「電気化学を活用した電子伝達制御に基づくZスキーム型光触媒系の機能向上」では、半導体光触媒を用いた可視光照射下における2光子励起（Zスキーム）によるエネルギー蓄積型の反応において、活性・機能向上のボトルネックと想定される光触媒間の光励起電子の伝達過程にフォーカスし、熱力学的な制御による系統的な知見を得るとともに、電気化学手法による速度論的な解析制御手法の開発と評価を行っている。今年度は、水中で駆動するZスキーム型反応の電子伝達過程を電気化学手法を用いて観測するため、回転リングディスク電極を応用した拡散制御型の新規観測手法の開発を行った。水分解反応を駆動する代表的な可視光応答の半導体光触媒と電子伝達剤を用い、拡散制御環境下における光触媒反応の進行を電流として観測し、反応速度の直接的な評価を試みた。光触媒粒子を電極上に固定した状態で、可逆な電子伝達剤としてコバルトトリスビピリジンタイプの錯体を用いて、拡散を電極回転数によって制御しながら光触媒反応評価を行った。リング電極部において、光触媒反応の進行に伴う水素の生成と電子伝達剤の消費に由来すると考えられる電流値変化が観測されたことから、反応の進行を検出できることを確認した。光の強度などの反応条件を変化することで電流値が変化することも確認できた。したがって、本手法によって拡散制御環境下における反応速度を電流として定量的に評価しうることが示された。

本研究課題「電気化学を活用した電子伝達制御に基づくZスキーム型光触媒系の機能向上」では、半導体光触媒を用いた可視光照射下における2光子励起（Zスキーム）によるエネルギー蓄積型の反応において、活性・機能向上のボトルネックと想定される光触媒間の光励起電子の伝達過程にフォーカスし、熱力学的な制御による系統的な知見を得るとともに、電気化学手法による速度論的な解析制御手法の開発と評価を行っている。今年度は、水中で駆動するZスキーム型反応の電子伝達過程を電気化学手法を用いて観測するため、回転リングディスク電極を応用した拡散制御型の新規観測手法の開発を行った。水分解反応を駆動する代表的な可視光応答の半導体光触媒と電子伝達剤を用い、拡散制御環境下における光触媒反応の進行を電流として観測し、反応速度の直接的な評価を試みた。光触媒粒子を電極上に固定した状態で、可逆な電子伝達剤としてコバルトトリスビピリジンタイプの錯体を用いて、拡散を電極回転数によって制御しながら光触媒反応評価を行った。リング電極部において、光触媒反応の進行に伴う水素の生成と電子伝達剤の消費に由来すると考えられる電流値変化が観測されたことから、反応の進行を検出できることを確認した。光の強度などの反応条件を変化することで電流値が変化することも確認できた。したがって、本手法によって拡散制御環境下における反応速度を電流として定量的に評価しうることが示された。