高効率可視光水分解を目指した酸ハロゲン化物光触媒のバルク及び表面特性制御法の開発

近年、Bi系層状酸ハロゲン化物は、水分解に適したバンド位置と可視光応答性および、光照射下での安定性をも有することから新規光触媒材料群として大いに期待されている。本研究では、そのキャリアダイナミクスを明らかにした。一分子蛍光イメージング、時間分解可視-中赤外過渡吸収分光測定、時間分解マイクロ波伝導度測定等、最先端の分光技術と各種実験、DFT計算を組み合わせることで、層状の結晶構造に起因する異方的なキャリア移動が電荷分離を促進していることが明らかとなった。さらに結晶端に電子が集積することを利用し、電荷を捕捉しH+の還元サイトとなる助触媒を結晶端に位置選択的に担持することで、空間的に分離された自由電子を効率よく反応に利用することが可能となり、本光触媒を用いる高効率可視光H2生成反応を世界で初めて実証した。また、光電気化学（PEC）システムにおける光電極の新規調製法の開発にも成功した。PECシステムにおいては、その光電極の調製法がPEC性能を大きく左右する。特に、半導体粒子と基板の良好な接触が期待できる基板上への直接合成が望ましい。しかし、水熱合成法を代表とするそのような直接合成法は、比較的構成元素の少ない物質に限定されていた。本研究では、多元素で構成される物質も合成可能なフラックス法を、電極の直接合成に応用することに初めて成功した。ターゲット物質としては、同じく層状酸ハロゲン化物の一つを選択した。導電性基板に原料の一部をシードレイヤーとして塗布し、この上でフラックス合成を行うことで、基板上で目的物の結晶成長が起こり、光電極の直接合成に成功した。この光電極は、粒子と基板間の接触が良好であり、従来法で作成した電極よりも高いPEC性能を示した。さらに、この電極調製法では比較的容易に、膜厚等の物性を制御できることも明らかとなった。

近年、Bi系層状酸ハロゲン化物は、水分解に適したバンド位置と可視光応答性および、光照射下での安定性をも有することから新規光触媒材料群として大いに期待されている。本研究では、そのキャリアダイナミクスを明らかにした。一分子蛍光イメージング、時間分解可視-中赤外過渡吸収分光測定、時間分解マイクロ波伝導度測定等、最先端の分光技術と各種実験、DFT計算を組み合わせることで、層状の結晶構造に起因する異方的なキャリア移動が電荷分離を促進していることが明らかとなった。さらに結晶端に電子が集積することを利用し、電荷を捕捉しH+の還元サイトとなる助触媒を結晶端に位置選択的に担持することで、空間的に分離された自由電子を効率よく反応に利用することが可能となり、本光触媒を用いる高効率可視光H2生成反応を世界で初めて実証した。また、光電気化学（PEC）システムにおける光電極の新規調製法の開発にも成功した。PECシステムにおいては、その光電極の調製法がPEC性能を大きく左右する。特に、半導体粒子と基板の良好な接触が期待できる基板上への直接合成が望ましい。しかし、水熱合成法を代表とするそのような直接合成法は、比較的構成元素の少ない物質に限定されていた。本研究では、多元素で構成される物質も合成可能なフラックス法を、電極の直接合成に応用することに初めて成功した。ターゲット物質としては、同じく層状酸ハロゲン化物の一つを選択した。導電性基板に原料の一部をシードレイヤーとして塗布し、この上でフラックス合成を行うことで、基板上で目的物の結晶成長が起こり、光電極の直接合成に成功した。この光電極は、粒子と基板間の接触が良好であり、従来法で作成した電極よりも高いPEC性能を示した。さらに、この電極調製法では比較的容易に、膜厚等の物性を制御できることも明らかとなった。