Construction of high-efficiency photocatalytic surface by directivity control of excited carrier transfer

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水素製造を目的とした水分解光触媒は、太陽光により水を分解して水素を生成することができるため、クリーンなエネルギーシステムを構築できるものと期待されている。光触媒は太陽光を吸収すると、励起電子と励起ホールといった励起キャリアを生成し、励起電子が水素生成助触媒に移動して水素を、励起ホールが酸素生成助触媒に移動して酸素を生成する。しかし、その励起キャリアの移動に関しては十分な知見が得られていない。そこで本研究では、赤外光とX線を用いて光触媒内の励起キャリア移動を観測し、その反応過程を調べることを目指している。本研究を推進することで、光触媒反応の効率に影響を与えている因子を特定することができれば、より優れた光触媒材料を開発していけるものと考え、研究に注力している。昨年度は赤外分光測定装置とX線分光測定装置の立ち上げや高度化を行い、概ね予定通り進めることができた。まず最初に、モデル光触媒単結晶板に対して赤外測定を行い、光触媒上に移動する励起キャリアを観測することに成功した。特に、ポテンショスタットで電極電位を印加した際は励起キャリア移動が促進され、光電極として利用すると優れた水分解活性を示すことが分かった。続いて、光触媒粉末に関する測定を行い、光触媒表面の電子状態に対応するようなスペクトルが得られ、in-situ赤外分光測定自体が問題がないことを確認した。また、放射光施設で触媒のX線分析を行い、電気化学的に酸素生成触媒の構造が変化する様子を観測することに成功し、その反応メカニズムを解明することができた。以上の結果を複数の論文として投稿しており、今後は更なる検証を行い、本研究の目的である「励起キャリア移動を促進する光触媒表面」を探索していく。