Development of Co-catalysts for Artificial Photosynthesis Based on Quantum Nanostructures of Crystalline Solid Solution Oxides

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マンガンやコバルトなどの遷移元素を含むスピネル型複合酸化物において、光触媒である酸化ガリウム上でのナノ形態制御を行った。具体的にはシクロヘキサン溶媒中で逆ミセルを形成し、その1 nmにも満たない水相中で前駆体である水酸化物前駆体を合成した。ここに担体となる酸化ガリウムと逆ミセルの開裂剤であるエタノールを加え、攪拌により前駆体を酸化ガリウム上に担持した。得られた試料をデカンテーションにより回収後、大気中で焼成し、酸化ガリウム上にスピネル型複合酸化物量子ナノ構造体を合成した。エタノールを加えて前駆体を担持する際、少量のアンモニア水を添加することで担持の際の溶液のpHを変化させた。pH 8では原子数層程度の量子薄膜と一部4 nm程度の量子ドットが得られたのに対し、pH 10では膜厚5 nm程度のナノ薄膜が主に得られ量子ドットのサイズもやや増大した。また前者では量子薄膜と量子ドットとで化学組成にずれが生じたのに対し、後者ではいずれの構造体も類似の化学組成であることを見出した。これらの構造変化を明らかにするため、担持の際の前駆体および酸化ガリウムの表面電荷をゼータ電位測定により評価した。pH 8の溶液中では、前駆体表面が負に、酸化ガリウム表面が正に帯電していたのに対し、pH 10ではどちらも負に帯電していた。以上のことから、pH 8では前駆体-酸化ガリウム間での静電相互作用が強く前駆体が担体表面を広く覆うように担持されたのに対し、pH 10では前駆体が溶液中で凝集した後にデカンテーション時に担体に担持されたため、前者で数原子層の量子薄膜が、後者では5 nm程度のナノ薄膜が主に形成したと推察される。