水分解光触媒反応を促進する新規複合金属系ナノ粒子助触媒の開発及び動作機構の解明

電気化学的視点に基づき、酸素生成に有効な新規な複合系助触媒材料の探索を行った。CoAl2-xCrxO4について、x = 0.4の組成において最も高い電気化学的な水の酸化反応活性を示した。電気化学的なインピーダンス測定において、Crを加えることにより、触媒内部から基質である水までの電荷移動が促進されることが示された。またCoAl2O4ナノ粒子について、逆ミセル法を用いて可視光応答型半導体光触媒であるg-C3N4表面に担持した。調製した試料を用いて硝酸銀水溶液からの光触媒的な酸素生成反応を行ったところ、CoAl2O4ナノ粒子の担持より最大10倍近い活性向上が見られた。IrO2やRuO2等の、他の酸素生成助触媒として報告されている材料と比較して、CoAl2O4はより高い活性向上効果が見られた。特に単独の酸化物であるCo3O4と比較して2倍の活性が得られた。CoAl2O4ナノ粒子の担持温度を種々変化させた場合では、担体（g-C3N4）の分解温度未満の高温条件で、光触媒活性が向上することが分かった。またCoAl2O4ナノ粒子の構造についても、低温担持では層状複水酸化物もしくは水酸化物として存在している一方で、高温担持ではスピネル型の酸化物となっていることが示された。時間分解可視赤外分光測定より、CoとAlが複合化することにより、g-C3N4内部に生じた正孔が効率的に担持ナノ粒子へトラップされ、水の酸化反応の活性向上に寄与したことが示唆された。特に正孔の移動効率において、Co3O4に比べCoAl2O4が優れていることが示された。さらに、他の半導体光触媒においてもCoAl2O4ナノ粒子を担持したところ、TaONやLaTiO2N等の酸窒化物で水の酸化反応の活性向上が見られ、助触媒としての汎用性が示された。

電気化学的視点に基づき、酸素生成に有効な新規な複合系助触媒材料の探索を行った。CoAl2-xCrxO4について、x = 0.4の組成において最も高い電気化学的な水の酸化反応活性を示した。電気化学的なインピーダンス測定において、Crを加えることにより、触媒内部から基質である水までの電荷移動が促進されることが示された。またCoAl2O4ナノ粒子について、逆ミセル法を用いて可視光応答型半導体光触媒であるg-C3N4表面に担持した。調製した試料を用いて硝酸銀水溶液からの光触媒的な酸素生成反応を行ったところ、CoAl2O4ナノ粒子の担持より最大10倍近い活性向上が見られた。IrO2やRuO2等の、他の酸素生成助触媒として報告されている材料と比較して、CoAl2O4はより高い活性向上効果が見られた。特に単独の酸化物であるCo3O4と比較して2倍の活性が得られた。CoAl2O4ナノ粒子の担持温度を種々変化させた場合では、担体（g-C3N4）の分解温度未満の高温条件で、光触媒活性が向上することが分かった。またCoAl2O4ナノ粒子の構造についても、低温担持では層状複水酸化物もしくは水酸化物として存在している一方で、高温担持ではスピネル型の酸化物となっていることが示された。時間分解可視赤外分光測定より、CoとAlが複合化することにより、g-C3N4内部に生じた正孔が効率的に担持ナノ粒子へトラップされ、水の酸化反応の活性向上に寄与したことが示唆された。特に正孔の移動効率において、Co3O4に比べCoAl2O4が優れていることが示された。さらに、他の半導体光触媒においてもCoAl2O4ナノ粒子を担持したところ、TaONやLaTiO2N等の酸窒化物で水の酸化反応の活性向上が見られ、助触媒としての汎用性が示された。