半導体微粒子による高効率光酸化および光還元反応

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酸化物半導体の光触媒としての活性は様々な要因によって大きく変ることが知られているがその原因については十分に解明されていない. 本研究では代表的な酸化物半導体である酸化チタンについて, どの様な要因が重要であるかを調べた. 反応としては, 一酸化炭素およびエタンの光酸化反応, 犠牲酸化済還元剤存在下の光酸素および光水素発生反応, 水の光分解を行なった. 酸化チタンには三つの結晶形, アナタース, ルチル, ブルッカイトがあるが, これら結晶素と光触媒活性との関係, またそれぞれの結晶形について不純物の影響, 粒径効果, キャリヤー濃度依存性について調べた結果, 次のことがわかった. (1)塩素や硫酸根は不純物としてすべての反応にたいする活性を著しく低下させるため, 塩化チタンあるいは硫酸チタンから調整した酸化チタンの活性はイソプロポキサイドより調整したものよりかなり低い. (2)光酸化活性は粒径が小さいほど大きくなり, 他の要因には依存しない. (3)光酸素発生反応にたいする活性はルチルが高く, 粒径が小さいと活性が下がる. (4)光水素発生反応ではアルコール類およびEDTAを用いた時は結晶形による差異はないが, 他の還元剤の場合はアナタースがルチルより活性が高く, 粒径効果はいずれの場合もない. (6)光電気化学反応では活性はキャリヤー濃度に依存するが光酸化反応では依存しない.以上の結果は反応の種類あるいは機構の違いによって光触媒活性を支配する要因が変化することを示している. これは光誘起された電子および正孔と反応物質との間の相互作用の仕方が異なるためであり, それぞれの反応について上記結果は合理的に説明することができる. また酸化チタン以外の酸化物半導体についても検討した結果, 同種の結論が得られた.