不安定化学種の観測による半導体粉末光触媒の反応機構の研究

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本研究では、光触媒反応の途中に生じる不安定な中間体を観測することから光触媒の機構について考察した。室温における懸濁液流通反応系において電子スピン共鳴(ESR)を用いたその場観察、そして、化学発光プローブを用いた不安定活性酸素種の観察の2つの方法で次のような成果が得られた。ESRによる光触媒反応のその場観察では、酢酸の光触媒反応では生成する二種類のラジカル(CH_3とCH_2COOH)の生成比を勘案することにより、OHラジカルの出来やすさが触媒により大きく異なることを見出した。これは、問題となっている水溶液TiO_2懸濁系の光触媒反応でOHラジカルを経由する酸化反応と固体表面における直接酸化のどちらが起こるかについての知見を得る有力な方法といえる。TiO_2を加熱処理することにより、あるいは結晶性の良いTiO_2では、OHラジカルの生成を経ないCH_3ラジカルが多く観測されることを見出し、他の方法で調査した固液界面の構造との関連について調べている。化学発光プローブによる不安定化学種の検出では、空気下での光触媒において重要な役割を果たす過酸化水素、OHラジカル、スーパーオキサイド(O_2^-)ラジカルなどの活性酸素を高感度で検出するための新しい方法として、ルミノールやMCLAという化学発光プローブを用いた。TiO_2を励起する光が共存する場合には、散乱および蛍光などにより、微弱な化学発光は観測できなかったが、照射光の遮断後に発光が観測出来ることを見出した。ルミノール存在下でTiO_2を照射すると、照射後の化学発光は1秒前後の寿命を持つ一次減衰と10秒前後の寿命を持つ二次減衰の2つの減衰に分けられるることが分かった。減衰の速い発光はスーパーオキサイドとの反応で発光し、遅い発光はH_2O_2との反応で発光が起こることがわかり、これらの量の見積もりが可能となった。