可視光反応型光触媒スパッタ膜の形成と有機化合物の分解

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昨年度に引き続き、CdS薄膜上へ形成されたTiO_2(TiO_2/CdS)光触媒二層膜、CdS薄膜上へ形成された窒素ドープTiO_2(TiO_xN_y/CdS)光触媒二層膜、等の結晶および表面微細構造、光学特性、光触媒特性を調べた。CdS薄膜は次に示す2つの異なったケミカルバス法で形成された。1)前駆体としてアンモニアを使用する方法、2)アンモニアを使用しない方法である。CdS薄膜をガラス基板上に形成し、その上にTiO_2およびTiO_xN_y薄膜を形成し、二層膜を作製した。CdS形成膜の結晶構造やバンドギャップはアンモニア量と形成条件により変化した。これらのヘテロ接合構造では、異なった半導体粒子間をキャリア(電子-正孔)が膜厚方向(膜面)に垂直に移動するために光励起キャリアの再結合が抑制され、光触媒特性が有効に改善された。TiO_2/CdS光触媒二層膜では、可視光を照射した場合、下地層のみが応答し、伝導帯へ励起された電子は不活性な状態にあるTiO_2の伝導帯へ注入される。下地層の価電子樽がTiO_2のそれよりもマイナスとなるため、CdS半導体内で形成された正孔はそこに留まり、TiO_2側へは移動できない。このことにより、2つのキャリアを有効に分離することができる。一方、TiO_xN_y/CdS光触媒二層膜では、両方の半導体が可視光に応答するため、より多くのキャリアが形成され、光触媒効率が著しく向上したと推論した。メタノールやエタノールガスは最終的には二酸化炭素と水に分解されたが、CdS/TiO_2光触媒の分解効率はTiO_2単層膜の4倍、TiO_xN_y薄膜の2倍、TiO_xN_y/CdS二層膜の分解効率はTiO_2単層膜の5倍であることが分った。CdSとTiO_2の二層構造はキャリアの分離に有効であることが示された。