未開発エネルギー資源である赤外光による化学エネルギー変換プロセスの開発

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赤外光を捕集し、電力に変える材料の開発は本研究課題の重要な柱の一つである。申請者らはすでに赤外光触媒の開発に成功しているが、更なる効率化を目指して半金属ナノ粒子を中心に赤外光応答材料の開発と評価を行った。効率を支配する重要な要素である光励起後の赤外光触媒の緩和過程の解明について時間分解分光を用いて解明した。本申請期間においては、赤外域にLSPRを示す半金属ナノ粒子を光捕集部として有するヘテロ構造ナノ粒子触媒を系統的に合成し、赤外光触媒活性の支配する要素の解明を試みた。特に半金属ナノ粒子の候補としては、硫化銅に着目し、異なる結晶構造、組成を持つ硫化銅ナノ粒子（Cu2S、Cu9S5、Cu7S4、CuS）を系統的に開発した。さらには、これらのナノ粒子に、アクセプターとしてCdSを接合することでプラズモニックp-n接合界面を構築し、赤外光触媒水素生成の評価を行った。この結果、赤外光触媒水素生成の活性を評価するのは（i）硫化銅ナノ粒子のフェルミ準位、（ii）アクセプター層の大きさであることが明らかになった。たとえば、Cu7S4やCu9S5はCuSと比べて優れた触媒活性を示したが、これはCu7S4やCu9S5がCuSと比べてネガティブなフェルミ準位を持ち、CdSへの電子移動に有利なバンド構造を有することが原因と考えられる。これらの結果を基に様々なプラズモニックp-n接合界面を検討し、Cu9S5ナノ粒子とCdSの組み合わせにおいて、波長1100 nmで外部量子収率4.4％を示す光触媒水素生成触媒を開発した。これは、現時点での世界最高効率であり、バンドアライメントの制御と触媒の構造の制御がプラズモニックp-n接合界面を用いた高活性光触媒の開発において重要な要素であることが明らかになった。