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

• Project/Area Number: 16J04179
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nanomaterials chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 川脇 徳久 京都大学, 化学研究所, 特別研究員(SPD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: プラズモン / 光触媒 / Ag / CdS / 増強 / LSPR / 水素生成 / 水分解 / ナノ材料 / ヘテロ接合 / 人工光合成 / ナノ粒子

Outline of Annual Research Achievements

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。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Carrier-Selective Blocking Layer Synergistically Improves the Plasmonic Enhancement Effect (2019)
  • Author(s): Kawawaki Tokuhisa、Nakagawa Tatsuo、Sakamoto Masanori、Teranishi Toshiharu
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 印刷中 Issue: 21 Pages: 8402-8406
  • DOI: 10.1021/jacs.9b01419
  • Peer Reviewed
• [Presentation] キャリア選択的ブロッキング層を用いたCdS光触媒による水分解活性のプラズモン増強 (2019)
  • Author(s): 川脇 徳久、坂本 雅典、寺西 利治
  • Organizer: 電気化学会第86回大会
• [Presentation] Blocking Layer with Carrier Separation Ability Synergistically Improves Plasmonic Enhancement of Hydrogen Evolution (2018)
  • Author(s): T. Kawawaki, M, Sakamoto, T. Teranishi
  • Organizer: 3rd International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hydrogen Evolution Properties of Plasmonic Metal-Chalcogenide Heteronanoparticles (2018)
  • Author(s): T. Kawawaki, M, Sakamoto, T. Teranishi
  • Organizer: Asian Symposium on Nanoscience and Nanotechnology 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズモン金属－金属カルコゲニドヘテロナノロッドの合成と水素生成特性 (2018)
  • Author(s): 川脇 徳久、坂本 雅典、寺西 利治
  • Organizer: ナノ学会第16回大会
• [Presentation] 銀－硫化カドミウムヘテロ粒子の合成と水素生成特性 (2018)
  • Author(s): 川脇徳久・坂本雅典・寺西利治
  • Organizer: 電気化学会第85回大会
• [Presentation] Seeded Synthesis and Hydrogen Evolution Properties of Plasmonic Ag-CdS Heteronanorods (2018)
  • Author(s): T. Kawawaki, M, Sakamoto, T. Teranishi
  • Organizer: 日本化学会第98春季年会(2018)
• [Presentation] Ag2S-ZnSヘテロナノロッドの合成と光電気化学特性 (2017)
  • Author(s): 川脇 徳久・坂本 雅典・寺西 利治
  • Organizer: 日本化学会第97春季年会(2017)
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学 日吉キャンパス
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 銀－金属カルコゲニドヘテロ接合ナノロッドの合成と光電気化学特性 (2017)
  • Author(s): 川脇徳久・坂本雅典・寺西利治
  • Organizer: 第68回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] Seeded Synthesis and Photoelectrochemical Properties of Ag-Metal Chalcogenide Heteronanorods (2017)
  • Author(s): T. Kawawaki, M, Sakamoto, T. Teranishi
  • Organizer: 2nd International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 寺西研究室
  • URL: https://www.scl.kyoto-u.ac.jp/~teranisi/
• [Remarks] 物質創製化学研究系 精密無機合成化学研究領域ホームページ
  • URL: http://www.scl.kyoto-u.ac.jp/~teranisi/