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Efficiency improvement of semiconductor photocatalysts by multi-dimensional band endineering

通过多维能带工程提高半导体光催化剂的效率

基本信息

批准号：
21H04551
负责人：
杉山正和
金额：
$ 27.46万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

再生可能エネルギーの時間・空間的な偏在を克服して主要なエネルギー源とするために不可欠な燃料への転換を低コストで実現し得る技術として期待されている，太陽光からの水素直接製造を担う半導体光触媒について，半導体物理を基軸に学術的知見を蓄積して高効率化指針を構築するための基盤構築を進めた．光励起された電子・正孔の空間分離を行うために表面修飾される助触媒近傍での速度過程を探求するためのモデル系として，モデル半導体であるGaNエピタキシャル結晶表面に，助触媒のモデルとしてオーム性とショットキー性の2種の金属電極を形成し，かつGaNと2種の電極の電位を光触媒としての動作環境で同時計測できる新規構造の開発に成功した．具体的には，オーム性接触のコンタクト（電子を捕集する電極）としてPt/Ti/GaNを，ショットキー接触のコンタクト（正孔を捕集する電極）としてPt/GaNを，それぞれGaN表面にシャドーマスクを用いた真空蒸着法により櫛形電極構造をとって形成した．蒸着法を採用した理由は，フォトレジストを用いた微細加工プロセスによってGaN表面が汚染され得るが，金属電極形成後では効果的な表面洗浄が困難であると予期したためである．作製したモデル構造に電解液中で紫外光を照射したところ，水素の発生が確認され，本構造が助触媒を導入して水素発生効率を向上させた半導体光触媒のモデルとして動作することが実証された．なお，同時に発生しているはずの酸素については，現在測定を試みている．本モデル構造による解析では，光照射・水素発生中に半導体と2種の電極の電位をオペランド測定できることが従来にない利点である．現状では，測定された２つの電極の電位と水素発生・酸素発生の電極電位（酸化還元ポテンシャル）の間に不可解な関係があり，引き続き光照射条件等を変化させて解析を続ける予定である．

Regeneration may エネルギーのな partial in time, space を overcome して main なエネルギー source とするために not owe な fuel への planning in low をコストで be し must now る technology として expect されている, sunlight からの direct manufacturing を bear by water う semiconductor photocatalytic について, Semiconductor physics を base axis に academic knowledge を accumulation て high-efficiency pointer を construction するため <s:1> base disk construction を progress めた. Excitation light up された electronic, hole is の space separation line をうために surface modification される help catalyst nearly alongside でをの speed process to explore するためのモデル department として, モデル semiconductor である GaN エピタキシャルに crystal surface, help catalyst のモデルとしてオーム sex とショットキー sex の two metal electrodes のをし formation, かつ GaN と two のの electrode potential を photocatalytic としての action で environment and measuring できるの open new rules structure 発に successful した. Specific には, オーム sexual contact のコンタクト (electronic を capture する) electrode として Pt/Ti/GaN を, ショットキー contact のコンタクト (positive hole を capture する) electrode として Pt/GaN を, The それぞれGaN surface にシャドにシャドススをををを is formed by the vacuum evaporation method of <s:1> たによ with a comb electrode structure をとって to create an た. を steamed method using した reason は, フォトレジストを with いた microfabrication プロセスによってが GaN surface pollution され have るが, metal electrode formed after では unseen fruit な surface が at difficult であると to period したためである. Cropping したモデル tectonic にをで uv light irradiation in electrolyte したところ, water element の発 raw が confirm され, this structure が help catalyst を import して発 raw water element working rate を upward させた semiconductor photocatalytic のモデルとして action することが card be された. Born なお, at the same time に発しているはずの acid element については, now try determination をみている. This モデル tectonic による parsing では, light, water element 発 raw に semiconductor と two のの electrode potential をオペランド determination できることが従 to にない tartness である. Status quo では, determination of された 2 つのの electrode potential と発 raw water element, element 発 acid raw の electrode potential (acidification yuan ポテンシャル) between のに insolubility な masato is があり, lead き続き light conditions を variations change させて parsing を続ける designated である.