高効率な光触媒設計へ向けたモデル光触媒の研究

光触媒は、エネルギー・環境分野への応用が期待されている触媒材料であるが、更なる利用に向けて、より一層の光触媒活性の向上が求められている。本研究では、原子レベルで設計したモデル光触媒を作製し、詳細な分析により得たデータを基に、高効率な光触媒創製のための設計指針を提案することを目的とした。昨年度に引き続き、「A．水／光触媒界面で起こる光誘起超親水性のメカニズムの解明」と「B．貴金属ナノピラーを酸化物光触媒に埋め込むという新規な助触媒担持手法による光触媒の高効率化」の2点を重点的に光触媒の物性評価および高効率化を試み、それぞれについて以下に挙げる成果を得た。A．原子レベルで平坦な構造を持つTi酸化物単結晶について、表面構造の安定性や水との相互作用を親水性の評価やAFMによる構造観察、理論計算との比較によって詳細に調べた結果、清浄なTi酸化物表面は本来超親水性を示すということを結論付けた。即ち、光誘起超親水性の本質は、大気暴露により表面に付着した有機物が光触媒反応により分解することで、固体表面の親水性が変化することにあるという確証を得た。B．相分離を薄膜堆積過程に利用することで、貴金属がナノピラーの形状で酸化物薄膜内部に挿入された新規なナノ構造を自己組織的に作製できることを見出し、様々な貴金属元素のナノピラーを含む試料を作製した。光触媒とショットキー接合を形成する貴金属ナノピラーを導入することで、非常に高い光電変換効率を示す試料を作製することに成功した。モデル光触媒の研究を通して、光触媒で見られる光誘起超親水性のメカニズムを明らかにできた。加えて、金属助触媒をナノサイズのピラー形状として酸化物光触媒内部に埋め込んだ新規なナノ構造を作製できることを見出し、光触媒高効率化への新手法を提案できた。これらの成果は、当初の計画以上の成果である。

光触媒は、エネルギー・環境分野への応用が期待されている触媒材料であるが、更なる利用に向けて、より一層の光触媒活性の向上が求められている。本研究では、原子レベルで設計したモデル光触媒を作製し、詳細な分析により得たデータを基に、高効率な光触媒創製のための設計指針を提案することを目的とした。昨年度に引き続き、「A．水／光触媒界面で起こる光誘起超親水性のメカニズムの解明」と「B．貴金属ナノピラーを酸化物光触媒に埋め込むという新規な助触媒担持手法による光触媒の高効率化」の2点を重点的に光触媒の物性評価および高効率化を試み、それぞれについて以下に挙げる成果を得た。A．原子レベルで平坦な構造を持つTi酸化物単結晶について、表面構造の安定性や水との相互作用を親水性の評価やAFMによる構造観察、理論計算との比較によって詳細に調べた結果、清浄なTi酸化物表面は本来超親水性を示すということを結論付けた。即ち、光誘起超親水性の本質は、大気暴露により表面に付着した有機物が光触媒反応により分解することで、固体表面の親水性が変化することにあるという確証を得た。B．相分離を薄膜堆積過程に利用することで、貴金属がナノピラーの形状で酸化物薄膜内部に挿入された新規なナノ構造を自己組織的に作製できることを見出し、様々な貴金属元素のナノピラーを含む試料を作製した。光触媒とショットキー接合を形成する貴金属ナノピラーを導入することで、非常に高い光電変換効率を示す試料を作製することに成功した。モデル光触媒の研究を通して、光触媒で見られる光誘起超親水性のメカニズムを明らかにできた。加えて、金属助触媒をナノサイズのピラー形状として酸化物光触媒内部に埋め込んだ新規なナノ構造を作製できることを見出し、光触媒高効率化への新手法を提案できた。これらの成果は、当初の計画以上の成果である。