ナノスケールで三次元的に制御した高性能複合光触媒の開発と水素生成への応用

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本年度の研究では、複合体のベース材料となる光触媒と、電子メディエーターや助触媒として作用する金属ナノ粒子の作製方法について検討を行った。光触媒の検討では、可視光応答性を持つ材料として注目されている硫化物光触媒に着目した。高活性の光触媒材料に求められる要素として、結晶性が挙げられる。従来、結晶性の高い硫化物光触媒の合成では、真空雰囲気や硫化水素流通下での熱処理が必要であった。今回我々は、溶融塩中での熱処理を用いることで、真空・硫化水素雰囲気なしで、結晶性の高い硫化物光触媒を合成することに成功した。合成した光触媒は、従来法で作製した光触媒に比べて、結晶欠陥が少ないことが明らかになった。さらに、作製した材料を用いて水素生成活性を評価すると、本研究で得られた光触媒がより高い活性を示すことがわかった。これは、欠陥量が減少し、再結合による失活が抑制されたためであると考えられる。次年度以降では、本手法を活用して高結晶性光触媒を調製し、複合体のベース材料として用いることが可能である。また、金属ナノ粒子の検討では、光触媒上への新たな担持方法について研究を行った。従来は、光触媒上に金属ナノ粒子を担持する際、光触媒反応によって金属イオンを還元する光析出法がよく用いられていた。しかしながら、光析出法では、光照射によって励起した場所で反応が駆動するため、金属ナノ粒子の析出にムラがある場合があった。本研究では、新たに、光触媒表面に存在する電子トラップを活用することを検討した。具体的には、金属イオンを添加する前に光照射を行い、電子をトラップさせた状態で、金属イオンを添加した。この場合、還元反応は電子トラップに対応した場所で進行するため、均一な担持が可能になる。次年度以降では、本手法を活用した、金属ナノ粒子の導入が可能である。