ナノ光触媒の励起ダイナミクス

本研究は、太陽光を用いた人工光合成に用いる半導体光触媒に超高速分光ならびに単一分子分光を適用することで、ナノスケールの不均一界面でおこっている物質間相互作用や化学反応を解明し、構成要素ならびに構造最適化することを目的としている。本年度は以下の研究を行った。(1)Lanthanum titanium oxide (La2Ti2O7)にBiをドープしたナノシート光触媒を合成し、光照射下での水の完全分解反応を検討した。未ドープのLa2Ti2O7では表面のトラップサイトの存在が光触媒活性を制限しており、水素発生用の助触媒であるCobalt phosphate (Co-Pi)および白金(Pt)ナノ粒子を修飾しても表面のトラップサイトを取り除けないが、BiをLa2Ti2O7ナノシートにドープした場合には表面のBiでトラップサイトを効率的に取り除くことができ、Co-Pi/Bi-La2Ti2O7/Pt ナノシート触媒では5 at.%までBiをドープすると触媒活性が向上することが示された。(2)Dihydroxyterephthalaldehydeとtetra-aminophenyl-metalloporphyrinを反応させることでポルフィリンを構成要素としたcovalent organic frameworks (COFs)を構築し、ethylpyridineなどの金属配位子となる溶媒中でCOFを剥離することでナノ触媒を調製した。本触媒は水の分解による水素発生および3,3′,5,5′-tetramethylbenzidineの酸化反応において触媒活性を示した。COFを剥離することで、剥離していないものに比べ触媒活性が7倍向上することを確認した。さらに中心金属をNiやCoとすることで触媒活性が向上することを見出した。

本研究は、太陽光を用いた人工光合成に用いる半導体光触媒に超高速分光ならびに単一分子分光を適用することで、ナノスケールの不均一界面でおこっている物質間相互作用や化学反応を解明し、構成要素ならびに構造最適化することを目的としている。本年度は以下の研究を行った。(1)Lanthanum titanium oxide (La2Ti2O7)にBiをドープしたナノシート光触媒を合成し、光照射下での水の完全分解反応を検討した。未ドープのLa2Ti2O7では表面のトラップサイトの存在が光触媒活性を制限しており、水素発生用の助触媒であるCobalt phosphate (Co-Pi)および白金(Pt)ナノ粒子を修飾しても表面のトラップサイトを取り除けないが、BiをLa2Ti2O7ナノシートにドープした場合には表面のBiでトラップサイトを効率的に取り除くことができ、Co-Pi/Bi-La2Ti2O7/Pt ナノシート触媒では5 at.%までBiをドープすると触媒活性が向上することが示された。(2)Dihydroxyterephthalaldehydeとtetra-aminophenyl-metalloporphyrinを反応させることでポルフィリンを構成要素としたcovalent organic frameworks (COFs)を構築し、ethylpyridineなどの金属配位子となる溶媒中でCOFを剥離することでナノ触媒を調製した。本触媒は水の分解による水素発生および3,3′,5,5′-tetramethylbenzidineの酸化反応において触媒活性を示した。COFを剥離することで、剥離していないものに比べ触媒活性が7倍向上することを確認した。さらに中心金属をNiやCoとすることで触媒活性が向上することを見出した。