新規なヘテロ接合ナノ粒子合成経路の開発と人工光合成系への展開

新型异质结纳米粒子合成路线的开发及其在人工光合作用系统中的应用

基本信息

批准号：
16J04179
负责人：
川脇徳久
金额：
$ 7.49万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ヘテロ接合ナノ粒子は、異種無機相界面に有機保護層からなる絶縁層を有しないため、効率的な空間電荷分離が生じる。そのため、光触媒や太陽電池などの光電気化学デバイスへ応用することで、単純に粒子を混合しただけの系に比べて高効率な性能が期待される。特に局在表面プラズモン共鳴（LSPR）を示すような金（Au）ナノ粒子は、半導体と接合することで、ホットエレクトロン注入によって光触媒活性を示す。また高い酸化安定性を持ち、自己溶解しない光触媒として機能するため注目を集めている。本研究では、高い伝導帯を持つカルコゲン化物（ZnS、CdSなど）とLSPRを示す粒子（Au、Ag）が保護剤を介さずに原子レベルで直接結合したヘテロ接合ナノ粒子を液層合成し、水分解水素生成反応への展開を試みている。異種半導体ナノ粒子の合成には、両者の格子ミスマッチが小さくなければならない。Ag2SとCdSの格子ミスマッチが比較的小さなことを利用して、Ag2SからCdS層をエピタキシャルに成長させ、さらにAg2S層の一部からSを引き抜くことによって、三相構造のAg-Ag2S-CdSヘテロナノ粒子を合成した。この粒子の励起子ダイナミクスと水分解光触媒活性を調べたところ、Ag-CdSナノ粒子に比べて、Ag-Ag2S-CdSナノ粒子は励起子寿命の伸長が見られ、33倍もの高い水素生成活性を示した。これは、CdS層で生じた励起電子がAg側へ逆電子移動する失活プロセスを、間に挟んだAg2S層が防ぎ、ホールのみをドレインするためである。Ag2S層のようなキャリア選択的なブロッキング層を利用することで、LSPRを利用した光触媒の活性を大きく向上できることを初めて明らかにした。また、Au＠ZnS＠CdSの３層構造を有したヘテロ接合ナノ粒子についても合成に成功し、AuのLSPR励起に伴うCdS層への電子注入の長寿命化を観測した。

异质结纳米颗粒没有由有机保护层组成的绝缘层在异质无机相的界面上，这会导致有效的空间电荷分离。因此，通过将其应用于光催化剂和太阳能电池等光电化学设备，预计它将提供比仅涉及混合颗粒的系统更高的效率性能。特别是，当与半导体键合时，表现出局部表面等离子体共振（LSPR）的金（AU）纳米颗粒通过热电子植入表现出光催化活性。它也引起了人们的注意，因为它具有高氧化稳定性，并且是无法溶解自身的光催化剂。在这项研究中，我们试图合成异质结的纳米颗粒，其中具有高传导带（Zns，CDS等）的硫元素和表现出LSPR（AU，AG）的颗粒在原子水平上直接结合，而无需使用保护剂，并将其发展为水生成的氢生产反应。为了合成异源半导体纳米颗粒，两者之间的格子不匹配必须很小。利用AG2S和CD之间的晶格不匹配相对较小，CDS层是从AG2S上展开的，然后从AG2S层的一部分中提取S以合成三相AG-AG-AG2S-CDS Heteronananoparticles。与Ag-CDS纳米颗粒相比，研究了该颗粒的激子动力学和水分解光催化活性时，AG-AG2S-CDS纳米颗粒的激子寿命显示出激子寿命的延伸，显示出33倍的氢产生活性33倍。这是因为它们夹在它们之间的AG2S层阻止了停用过程，其中CDS层中产生的激发电子被倒向Ag侧，而仅排出孔。首次揭示了通过使用载体选择性阻滞层（例如AG2S层），可以大大改善使用LSPR的光催化剂的活性。此外，还成功合成了具有AU@Zns@CD的三层结构的异质结纳米颗粒，并且由于观察到了AU的LSPR激发，电子注入到CDS层中的寿命。