可視光応答性を持つナノ構造半導体材料の構築と評価

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ナノメートルスケールの層間を有し、高い二次元配向性を保持する層状ニオブ酸化物は、紫外光照射下では、水を酸素と水素に完全分解できる光触媒として注目を集めている。しかしながら、紫外光は太陽光の中に5%以下しか存在しないため、可視光に応答する材料の作製が必要不可欠である。したがって、本研究では、可視光応答する材料を層間内に導入する方法および窒素置換によってニオブ酸化物自身を可視光応答材料にする方法を試みた。まず、層間内に可視光応答性の半導体であるCdSおよびCu_2Oをイオン交換法によって、層間内に金属イオンを導入した後、化学反応および電気化学反応を利用して、ナノ微粒子として作製することに成功した。しかしながら、CdSでは、光反応時にCdSが酸化溶解するため、また、Cu_2Oでは、金属銅への還元反応が容易に進行するため、恒常的な材料としての利用に問題があった。そこで、層状ニオブ酸化物自身を可視応答性にするために、禁制帯中に新たな準位を生じるために可視光応答性が発現する窒素ドープを試みた。これまでの窒素ドープの手法はニオブ酸化物の材料作製時に窒素と酸素を置き換える方法であったが、本研究では低エネルギー負荷・低環境負荷の水溶液系で光照射するのみで窒素置換に成功した。アミン系界面活性剤によって、層剥離したニオブ酸化物ナノシートを水溶液中において光照射することで、ニオブ酸化物内の0.5%程度の酸素を窒素に置換することができた。この窒素置換層状ニオブ酸化物は、可視光である550nmの光を吸収し、アルコールの光分解反応を進行させることができた。