層間包接光触媒を用いる人工光合成型光一化学エネルギー変換

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陽イオン交換能を有するH_4Nb_6O_<17>,H_2Ti_4O_9,モンモリロナイト(MTと略記)および陰イオン交換能を有する層状複水酸化物[M(II)_<0.7>M(III)_<0.3>(OH)_2](CO_3)_<0.15>(M(II)=Mg,Zn,M(III)=Al:LDHと略記)、をホスト層として用い、イオン交換反応およびH_2Sとの反応により、これらの層状化合物層間にCdSおよびCd_<0.8>Zn_<0.2>Sを包接したナノ複合体を合成した。合成した層間化物合の層間隔はいずれも1nm以下であったことより、層間に包接されたCdSおよびCd_<0.8>Zn_<0.2>Sは厚み1nm以下の超微粒子であり、量子効果によりバルクのものより大きなバンドギャップを示し、波長400nm以上の可視光照射下で光触媒活性を示した。光触媒活性はCdSのみを包接したものよりCd_<0.8>Zn_<0.2>Sを包接したものの方が優れていた。バルク触媒であるCd_<0.8>Zn_<0.2>Sゲルの触媒活性は、時間の経過とともに低下したが、層間包接されたCd_<0.8>Zn_<0.2>Sはの光触媒活性は長時間安定であった。光触媒活性を可視光照射下における0.1M Na_2S水溶液からの水素生成速度で比較すると、H_2Ti_4O_9/Cd_<0.8>Zn_<0.2>S>H_4Nb_6O_<17>/Cd_<0.8>Zn_<0.2>S>MT/Cd_<0.8>Zn_<0.2>S≒MgAl-LDH/Cd_<0.8>Zn_<0.8>S≒ZnAl-LDH/Cd_<0.8>Zn_<0.2>S>Cd_<0.8>Zn_<0.2>Sゲルの順であり、層間包接光触媒はバルクのものより優れた触媒活性を示した。なお、ホスト層として絶縁体であるMTやLDHを用いたものの光触媒活性はほぼ等しかったが、ホスト層として半導体であるH_2Ti_4O_9およびH_4Nb_6O_<17>を用いると触媒活性が著しく向上した。これはホスト層が半導体のものでは、ゲスト-ホスト間の電子移動により、光励起された正孔と電子の再結合が抑制されるためと考えられる。また層間包接光触媒は、SO_3^<2->の光酸化において嵩高いS_2O_6^<2->の生成を抑制し、SO_4^<2->の生成を促進したことから、形状選択性を有することがわかった。