時間分解XAFS測定を用いた光触媒の構造・電子状態変化の追跡

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研究初年度の成果として、光触媒粉末懸濁液を用いた、時間分解XAFS実験の基礎的なセットアップを整えた。また、モデル材料を用いて時間分解XAFS実験を行った結果、光照射中の助触媒の電子状態が変化する様子を観測することに成功した。以下に、詳細を述べる。助触媒としてCoとIrの酸化物種、可視光応答をする半導体光触媒としてN,F共ドープTiO2 (TiO2;N,F)を用いて、Co or Ir酸化物担持TiO2;N,Fを調製した。調製した試料について、水の酸化反応に対する光触媒活性を調べた結果、Co及びIrの酸化物種は光触媒的な水の酸化反応の助触媒として働いていることを確認した。このような試料について、光触媒表面に担持されたCoとIrの酸化物種の、光照射後の電子状態を調べるために、研究実施に合わせて申請したPF-AR NW14Aを用いた実験課題(2022G021)の中でポンププローブ型時間分解XAFS測定を行った。結果として、CoとIrの双方で、光照射に伴い担持金属種内に正孔が生成していることが示唆された。助触媒内部の正孔生成と失活に関するキャリアダイナミクスを調べるために、ポンプレーザー光とプローブX線の同期を変化させた時間分解XAFS測定についても行った。結果として、Ir酸化物種を担持した場合は光照射直後数psで正孔が生成し1 ~ 100 ns程度の数成分の寿命で失活する様子が見られた。他方でCo酸化物種では、光照射後500 nsかけて正孔が生成した後、100 nsを超える寿命で失活する様子が見られた。このように、担持物によって正孔の振る舞いが大きく異なることが明らかとなった。