半導体結晶の表面構造規制と光エネルギー変換機能の向上を目指した表面反応機構の研究

旨在调控半导体晶体表面结构、提高光能转换功能的表面反应机理研究

• 批准号: 06J04048
• 负责人: 中村 龍平
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-06J04048/
• 关键词: 光触媒; 酸素発生; 赤外分光; 多電子移動触媒; 金属錯体; 光合成

金属酸化物半導体は、光エネルギー変換に適した光触媒として、多くの研究がなされている。本研究では、「表面反応中間体の分光学的in situ直接観察」および「金属酸化物表面構造の原子レベル制御」の2点から研究方法の開拓を進め、これを通じて反応機構の解明を行ってきた。特に光機能界面として最も重要であるTiO_2/水溶液界面における水の光酸化・酸素発生反応に焦点をあて、この反応の機構を原子・分子のレベルで解明を行った。また、新規可視光応答型の光触媒として光誘起MMCTで駆動するヘテロ金属分子光材料の開発も行ってきた。以下に主な結果を述べる。(1)新しい表面処理法であるHF浸漬-高温焼成法を用いることで、原子レベルで平坦でかつ安定なTiO_2ルチル表面を作製することに成功した。その結果、表面バンドエネルギーや価電子帯正孔の反応性がTiO_2の表面原子構造配列に依存することを世界で初めて明らかにした。さらに、in situ PL法を用いて、水の光酸化反応の前駆体である表面捕捉正孔を捉え、この原子レベルでの構造やエネルギーの面依存性を明らかにした。(2)金属酸化物上での結果を踏まえて、窒素含有・金属酸化物上における可視光照射下での光酸素発生反応の機構の検討を行った。TaON微粒子粉末を用いて薄膜光電極を作成し、種々の還元剤添加による光電流作用スペクトルの変化の詳細な検討から、可視光照射下での水の酸化反応は"電子移動機構"で進行するのではなく、"水分子の求核攻撃機構"によって進行することを明確に示した。(3)さらに、多電子移動触媒であるIrO_2、および光合成のPSII中心のモデル触媒としてMn二核錯体の合成を行い、水の酸化反応が上と同様に"水分子の求核攻撃機構"で反応が進むという重要な結果を明らかにしつつある。(4)ヘテロ金属からなる無機分子光材料の開発を行った。ヘテロ金属錯体の光誘起MMCTによって、可視光照射下で光触媒反応を駆動させることに成功した

Metal acid semiconductor photocatalysts and photocatalysts are widely studied. This study is aimed at developing a new method for the direct observation of spectroscopic properties of surface reaction intermediates and the atomic reaction control of metal acids. Especially, the interface of optical function is the most important one. The interface of TiO_2/water solution is the focus of the reaction between water and acid. The mechanism of reaction between atoms and molecules is the solution of TiO_2. New Photocatalyst for Visible Light Response and Photoinduced MMCT The main results are described below. (1)The new surface treatment method HF immersion-high temperature firing method was successfully used to prepare the flat and stable TiO_2 surface. As a result, the surface of TiO_2 depends on the atomic structure arrangement of TiO_2, and the electron structure of TiO_2 depends on the reflectivity of TiO_2. In addition, in situ PL method is used in the process of photoacidification of water, and the surface of the precursor is captured by the positive hole, and the atomic structure is formed by the surface dependence of the precursor. (2)The mechanism of photo-acid reaction under visible light irradiation was studied. TaON fine particle powder thin film photoelectrode production, seed reduction agent addition, photocurrent effect, detailed analysis, visible light irradiation of water acidification reaction,"electron movement mechanism","water molecule nuclear attack mechanism","progress" is clearly shown. (3)In addition, multi-electron mobile catalyst can be used for the synthesis of IrO_2, Mn, Mn, (4)The development of inorganic molecular optical materials Photoinduced MMCT of metal complexes was successfully performed under visible light irradiation.

项目成果

Visible light-driven water oxidation by Ir oxide clusters coupled to single Cr centers in mesoporous silica

• DOI: 10.1021/ja0625632
• 发表时间: 2006-08-23
• 期刊: JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY
• 影响因子: 15
• 作者: Nakamura, Ryuhei;Frei, Heinz
• 通讯作者: Frei, Heinz

Ordered Nanogroove Arrays on n-TiO2 with a Variation of the Groove Depth, Formed by Self-Organized Photoetching

• DOI: 10.1021/jp067549q
• 发表时间: 2007-02
• 期刊: Journal of Physical Chemistry C
• 影响因子: 3.7
• 作者: Shuji Nakanishi;Takatoshi Tanaka;Yuichiro Saji;E. Tsuji;Satoshi Fukushima;Kazuhiro Fukami;T. Nagai;Ryuhei Nakamura;A. Imanishi;Y. Nakato