高効率TiO_2光触媒の開発に向けての時間・空間分解分光法による反応機構の解明

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TiO_2ナノ粒子に代表される金属酸化物半導体ナノ材料は、環境浄化や水分解を目的とした光触媒、太陽電池などの光電変換素子、バッテリー、センサーなど様々な応用が期待されている。しかしながら、溶液中や薄膜中のナノ粒子は無秩序な凝集体を形成しており、そのような凝集体では界面の不整合によって高効率な粒子間電荷移動は期待できず、反応表面積の低下も懸念されている。一方、TiO_2ナノ粒子が結晶学的に規則正しく配列したTiO_2メソ結晶は、大きな比表面積と電気伝導度を有しており、光触媒や色素増感型太陽電池の電極材料への応用が期待されている。本研究では、TiO_2メソ結晶における光触媒反応の位置選択性に着目し、単一分子蛍光イメージング法などを用いた反応観察を行った。紫外光照射の下、メソ結晶上で蛍光プローブの光還元によって生じた生成物由来の蛍光輝点が観測された。輝点位置の空間分布を解析した結果、シート状結晶の側面部分で優先的に還元反応が進行することがわかった。また、光還元法によって担持された貴金属(AuおよびPt)ナノ粒子の空間分布を調べた結果、同様に結晶側面で還元反応が進行しやすいことがわかった。以上の結果から、紫外光照射によって生成した電子がメソ結晶内部を高効率に移動し、最終的に、{101}面を有する結晶側面で還元反応を引き起こしていることが実験的に示された。さらに、貴金属ナノ粒子の担持により、有機物の光分解効率が著しく向上することがわかった。上記の蛍光プローブを用いた単一分子蛍光観察からも、金ナノ粒子の担持による還元反応の高効率化と位置選択性の向上が実証された。また、TiO_2以外の金属酸化物メソ結晶の合成法を見出した。有機物(pクロロフェノールなど)の光酸化分解効率からメソ結晶の光触媒性能を定量的に評価した。