光励起キャリアーの動的過程を観測した光触媒活性評価法の確立と触媒探索への応用

观察光激发载流子动态过程的光催化活性评价方法的建立及其在催化剂搜索中的应用

• 批准号: 15655077
• 负责人: 山方 啓
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15655077/
• 关键词: 光触媒; 光励起キャリアー; 時間分解赤外分光法; 電荷移動速度; 水分解反応; 再結合速度; 活性評価法

時間分解赤外分光法を用いると、光触媒中の電子を観測し、電子・正孔再結合過程や吸着分子への電荷移動過程を調べることができる。我々は、水分解の活性が高いタンタル酸ナトリウム触媒中のマイクロ秒領域でのキャリアーの挙動と定常反応活性には高い相関があることを報告した。本研究では、本手法を用いて9つの酸化チタン参照触媒の光励起ダイナミクスの観測を行った。酸化チタンに紫外パルスを照射すると、赤外域に光励起電子のブロードな過渡吸収が観測される。この過渡吸収の減衰過程を調べることで光励起電子の再結合過程や反応過程を調べることができる。真空中での減衰速度は再結合速度を反映し、残存する電子の数が多いほど、反応に使える電子の数は多いことになる。ここで、気相に酸素を導入すると、電子が酸素に消費されるため、電子の減衰が加速される。この減少量は反応に消費された電子数を反映し、どれだけ減ったかという減少率は、再結合を逃れて残存した電子の反応活性を示す指標になる。次に、気相にメタノールを導入すると、正孔が消費されて再結合が抑制され、電子数が増加するが、この増加量は反応で消費された正孔数を反映する。そして、電子の増加した割合は、再結合を逃れて残存した正孔の反応活性を反映する。これらの仮定に基づいて参照触媒TIO4,6-13の反応ガス導入による電子の変化量と変化率を計算した。各触媒における光励起電子の赤外吸光係数が同じだと仮定した場合、これらの電子の変化量は大きければ大きいほど、酸化反応や還元反応の活性が高いことになる。TIO8と9は酸素導入による電子の減少量が大きいため、高い還元活性を有しており、逆にTIO8と10はメタノール導入による電子の増加量が多いため、高い酸化活性を有していることが推察される。これらの結果と触媒の表面積を比較すると、活性の高い触媒はいずれも表面積が広いことが分かった。

Time decomposition infrared spectroscopy is used to detect electrons in photocatalyst, electron and positive hole recombination process, and charge transfer process of adsorbed molecules. The activity of water decomposition is high, and the activity of steady state reaction is high. In this study, the method was used to measure the acidity of the reference catalyst. Acidification of ultraviolet radiation, red light excitation of electrons, transition absorption and detection The transition absorption decay process is modulated by the recombination process of photoexcited electrons. The decay rate in vacuum is reflected by the recombination rate, and the number of remaining electrons is increased. For example, the introduction of hydrogen and hydrogen, the consumption of hydrogen and hydrogen, and the acceleration of electron decay. The decrease in the number of electrons in the reaction zone reflects the decrease in the number of electrons in the reaction zone, and the decrease in the number of electrons in the reaction zone reflects the decrease in the number of electrons in the reaction zone. The number of electrons increases, and the amount of increase reflects the number of positive holes. In addition, the increase of electrons and recombination of electrons can be reflected in the activity of positive holes. The amount and rate of electron transformation in the reaction system of catalyst TIO4,6-13 were calculated. The red absorption coefficient of photoexcited electrons of each catalyst is the same, and the amount of electron conversion is large, and the activity of acidification reaction is high. TIO8:9: The decrease of electrons in the introduction of acid is large, and the increase of electrons in the introduction of acid is high. The surface area of the catalyst is higher than that of the catalyst.

项目成果

Akira Yamakata, Taka-aki Ishibashi, Hideki Kato, Akihiko Kudo, Hiroshi Onishi: "Photodynamics of NaTaO_3 Catalysts for Efficient Water Splitting"The Journal of Physical Chemistry B. 107. 14383-14387 (2003)

Akira Yamakata、Taka-aki Ishibashi、Hideki Kato、Akihiko Kudo、Hiroshi Onishi：“NaTaO_3 催化剂有效分解水的光动力学”物理化学杂志 B. 107. 14383-14387 (2003)

山方 啓, 石橋孝章, 大西洋: "時間分解赤外分光法を用いた二酸化チタン反応中間体の観察"表面科学. 24. 563-567 (2003)

Kei Yamakata、Takaaki Ishibashi，Atlantic：“使用时间分辨红外光谱观察二氧化钛反应中间体”表面科学 24. 563-567 (2003)。

Akira Yamakata, Taka-aki Ishibashi, Hiroshi Onishi: "Microsecond Kinetics of Photocatalytic Oxidation on Pt/TiO_2 Traced by Vibrational Spectroscopy"Chemical Physics Letter. 376. 576-580 (2003)

Akira Yamakata、Taka-aki Ishibashi、Hiroshi Onishi：“振动光谱追踪 Pt/TiO_2 光催化氧化的微秒动力学”化学物理快报。

Akira Yamakata, Taka-aki Ishibashi, Hiroshi Onishi: "Effects of Water Addition on the Methanol Oxidation on Pt/TiO_2 Photocatalyst Studied by Time-resolved Infrared Absorption Spectroscopy"The Journal of Physical Chemistry B. 107. 9820-9823 (2003)

Akira Yamakata、Taka-aki Ishibashi、Hiroshi Onishi：“通过时间分辨红外吸收光谱研究水添加对 Pt/TiO_2 光催化剂上甲醇氧化的影响”物理化学杂志 B. 107. 9820-9823 (2003)

Kan Takeshita, Yutaka Sasaki, Masahiro Kobashi, Yuki Tanaka, Shuichi Maeda, Akira Yamakata, Taka-aki Ishibashi, Hiroshi Onishi: "Effect of annealing temperature on back electron transfer and distribution of deep trap sites in dye-sensitized TiO_2, studied

Kan Takeshita、Yutaka Sasaki、Masahiro Kobashi、Yuki Tanaka、Shuichi Maeda、Akira Yamakata、Taka-aki Ishibashi、Hiroshi Onishi：“研究了退火温度对染料敏化 TiO_2 中背电子转移和深陷阱位点分布的影响”