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

开发用于高效可见光分解水的酰基卤光催化剂的本体和表面性质控制方法

基本信息

批准号：
19J23357
负责人：
小川幹太
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J23357/
关键词：
エネルギー人工光合成光触媒水分解水素 PEC

项目摘要

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。

近年来，BI基层状酸卤化物被高度预期是一组新的光催化材料，因为它们具有适用于水分解，可见光响应能力和在光照射下稳定性的带位置。这项研究揭示了载体动力学。结合尖端的光谱技术，例如单分子荧光成像，时间分辨可见的 - - 联邦瞬态吸收光谱，时间分辨微波电导电导率测量以及各种实验和DFT计算，已经表明，各向异性载体转移导致分层晶体递增的分离。此外，通过利用电子在晶体边缘的积累，在晶体边缘的位置支持了捕获电荷并用作减少H+的站点的繁殖催化剂，在空间中分离的自由电子可以在反应中有效地使用，并且使用此PhotoCatalyst的高效可见光H2生产反应已被证明是首次使用This PhotoCataLyst进行了证明。我们还成功地开发了一种在光电化学（PEC）系统中制备光电子的新方法。在PEC系统中，准备光电极的方法极大地影响PEC的性能。特别是，希望在半导体颗粒和基板之间良好接触的基材上进行直接合成。但是，代表水热合成的这种直接合成方法仅限于相对较少成分元素的物质。在这项研究中，我们成功地应用了通量方法，该方法还可以合成由多个元素组成的材料，以直接合成电极的合成。作为目标材料，还选择了层状酸卤化物之一。将原材料的一部分应用于导电底物作为种子层，并在此上进行了通量合成，从而导致目标产物在底物上的晶体生长，然后直接合成光电子。该光电子在颗粒和底物之间具有良好的接触，并且比常规方法产生的电极表现出更高的PEC性能。此外，已经揭示了电极制备方法可以相对容易地控制物理特性，例如膜厚度。