時間・空間分解分光法を用いた酸化チタン光触媒反応の構造特異性の解明

光エネルギーを有効利用した化学反応プロセスの開発は、昨今の環境・エネルギー問題とも関連する極めて重要な研究課題の一つである。これに関連して、TiO2ナノ粒子に代表される金属酸化物半導体ナノ材料は、環境浄化型光触媒や色素増感太陽電池など実用化レベルの研究が行われている。最近、球状のナノサイズの一次元構造体、二次元構造体、三次元構造体などの合成法が見出され、特徴的な光学的・電気的特性が見出されている。しかしながら、それらの特性、特に光触媒反応性の本質的要因についてはほとんど明らかになっていない。そこで、本研究では、反応選択性を有する蛍光プローブからの蛍光やTiO2からの欠陥発光を単一分子および単一粒子レベルで直接観測することで、 TiO2などの金属酸化物半導体のナノ・マイクロ構造体における反応活性部位の空間分布と反応性や活性酸素種および有機分子の細孔内拡散過程を調べる。また、可視光領域に強い表面プラズモン共鳴を示す貴金属ナノ構造体の光応答性ナノ材料における、可視光誘起電荷分離、電荷移動、酸化還元などについて解明する。今年度は、可視光領域に強い表面プラズモン共鳴を示す金のナノ棒構造体に白金を付着させたナノ構造体について、可視および近赤外光照射による電荷分離、電荷移動、光触媒的水素ガス生成について明らかにした。白金を金ナノ棒の両端にのみ付着させると、全体に付着するより触媒活性が向上した。一粒子発光分光と透過型電子顕微鏡観察により、金の発光が白金により消光されることから、励起状態の金から白金への電子移動が起こった。次に、パラジウムを付着した金ナノ棒では、プラズモン共鳴触媒的蟻酸の脱水素化反応が、5℃という低温でも起こった。これら貴金属ナノ粒子複合体の吸収、発光挙動については、単一ナノ棒の発光測定実験と計算機化学の手法から、金ナノ棒の縦方向プラズモンが効率よく消光されることを見出した。

光エネルギーを有効利用した化学反応プロセスの開発は、昨今の環境・エネルギー問題とも関連する極めて重要な研究課題の一つである。これに関連して、TiO2ナノ粒子に代表される金属酸化物半導体ナノ材料は、環境浄化型光触媒や色素増感太陽電池など実用化レベルの研究が行われている。最近、球状のナノサイズの一次元構造体、二次元構造体、三次元構造体などの合成法が見出され、特徴的な光学的・電気的特性が見出されている。しかしながら、それらの特性、特に光触媒反応性の本質的要因についてはほとんど明らかになっていない。そこで、本研究では、反応選択性を有する蛍光プローブからの蛍光やTiO2からの欠陥発光を単一分子および単一粒子レベルで直接観測することで、 TiO2などの金属酸化物半導体のナノ・マイクロ構造体における反応活性部位の空間分布と反応性や活性酸素種および有機分子の細孔内拡散過程を調べる。また、可視光領域に強い表面プラズモン共鳴を示す貴金属ナノ構造体の光応答性ナノ材料における、可視光誘起電荷分離、電荷移動、酸化還元などについて解明する。今年度は、可視光領域に強い表面プラズモン共鳴を示す金のナノ棒構造体に白金を付着させたナノ構造体について、可視および近赤外光照射による電荷分離、電荷移動、光触媒的水素ガス生成について明らかにした。白金を金ナノ棒の両端にのみ付着させると、全体に付着するより触媒活性が向上した。一粒子発光分光と透過型電子顕微鏡観察により、金の発光が白金により消光されることから、励起状態の金から白金への電子移動が起こった。次に、パラジウムを付着した金ナノ棒では、プラズモン共鳴触媒的蟻酸の脱水素化反応が、5℃という低温でも起こった。これら貴金属ナノ粒子複合体の吸収、発光挙動については、単一ナノ棒の発光測定実験と計算機化学の手法から、金ナノ棒の縦方向プラズモンが効率よく消光されることを見出した。