水の全分解用の光触媒のナノ構造制御による高機能化

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光触媒を用いた水の分解によるクリーンな水素製造は、環境問題やエネルギー問題の観点から近年注目を集めている。可視光照射下で水分解に有望な光触媒材料群が見出されているが、量子収率は非常に低い。これらの可視光応答型水分解用光触媒材料群の中でも、窒化タンタルは波長約600nmまでの光を吸収することができるため、重要な材料の一つである。ただし光触媒活性は低く、バルク中での光励起キャリアの再結合がその低活性の最大の要因と考えられている。上記の問題を解決するために、窒化タンタル光触媒においてコア/シェル型の構造を構築し、酸素生成サイトと水素生成サイトを空間的に分離することで、光触媒活性の向上を試みた。具体的にはSiO2/Ta3N5のコア/シェル構造を構築し、水素生成サイトとしてPtナノ粒子を窒化タンタルシェルの内側に、酸素生成サイトとしてIrO2やCoOxを外側に修飾することで、水素生成サイトと酸素生成サイトの空間的分離を行った。メタノール水溶液中で可視光照射下での水素生成半反応を行ったところ、中空Pt/Ta3N5(TP)、SiO2/Pt/Ta3N5コアジェル(TPS)、バルクTa3N5においてそれぞれ水素生成速度は6.6、3.1、0.5・molh-1となった。中空構造もしくはコアシェル構造を形成することで、バルクよりも水素生成速度が向上することがわかった。コアシェル構造(TPS)で、かつTa3N5の外側をさらにIrO2で修飾した場合、水素生成速度は約50%向上した。この結果は、機能の異なる助触媒を空間的に分離して修飾することで更なる活性向上が期待できることを示している。また、犠牲試薬として硝酸銀を用いた酸素生成半反応においても、助触媒の分離構築による活性向上が確認された。このようなコアシェル型構造を利用して助触媒を分離構築する手法は他の材料系へも応用可能であり、発展が期待される。