Trap engineering for remarkable improvement of photocatalysts

• Project/Area Number: 19H02806
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kato Hideki 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (60385515)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
• Keywords: 表面欠陥 / 再結合 / アニール / 還元力 / バナジン酸ビスマス / 酸窒化物 / ボールミル処理 / 金属担持 / 表面修飾 / 電子トラップ / 水分解 / 水素生成 / 共担持 / 結晶方位 / Zスキーム

Outline of Research at the Start

本研究では太陽光で効率良く水を水素と酸素に分解できる光触媒の構築を目指して，光触媒のトラップ制御による革新的機能向上を行う。有望な光触媒材料と期待されながらも低効率にとどまっている酸窒化物光触媒は，トラップ制御によりリミッターが解除され革新的な機能向上が可能になると考えられる。また，太陽光下で水分解が可能なＺスキーム型光触媒系においても，水素生成光触媒および酸素生成光触媒をそれぞれトラップ制御により高活性化することで更なる高活性化が可能になると期待される。

Outline of Final Research Achievements

The photocatalytic activity of bismuth vanadate has been improved by pulverization followed by the annealing treatment although the sample treated with either pulverization or annealing treatment showed lower activity than the as-prepared sample. The activity of perovskite-type oxynitrides for sacrificial oxygen evolution using a silver ion as an oxidizing reagent has been significantly enhanced by modification with metallic iridium despite its no cocatalyst effect. It has been found that deposition of metallic iridium increases reducing force of photoexcited electrons, resulting in promotion of reduction of reduction of silver ions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

機械的粉砕による光触媒活性の低下は通説化されていた。本研究においてトラップ制御のための後処理と組み合わせることで光触媒の種類によっては高活性化できることを見出したことは，光触媒研究の発展に貢献する知見である。また，本研究では助触媒能の無い微粒子担持により光励起電子の還元力を増大させられることを見出した。これらは新しい知見であり，光触媒研究，ひいては，カーボンニュートラルに貢献する人工光合成の発展の発展に貢献すると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Influences of pulverization and annealing treatment on photocatalytic activity of BiVO4 for oxygen evolution (2022)
  • Author(s): Kazuya Okuno, Hiromu Kumagai, Junie Jhon M. Vequizo, Kosaku Kato, Makoto Kobayashi, Akira Yamakata, Masato Kakihana, Hideki Kato
  • Journal Title: Sustainable Energy & Fuels Volume: 6 Issue: 7 Pages: 1698-1707
  • DOI: 10.1039/d2se00065b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Utilization of Perovskite-Type Oxynitride La0.5Sr0.5Ta0.5Ti0.5O2N as an O2-Evolving Photocatalyst in Z-Scheme Water Splitting (2021)
  • Author(s): Hiromu Kumagai, Ryosuke Aoyagi, Kosaku Kato, Akira Yamakata, Masato Kakihana and Hideki Kato
  • Journal Title: ACS Applied Energy Materials Volume: 4 Issue: 3 Pages: 2056-2060
  • DOI: 10.1021/acsaem.0c03055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Water‐Splitting System with a Cobalt (II,III) Oxide Co‐Catalyst‐Loaded Bismuth Vanadate Photoanode Along with an Organo‐Photocathode (2020)
  • Author(s): Murakami Takahiro、Ikezoi Kosuke、Nagai Keiji、Kato Hideki、Abe Toshiyuki
  • Journal Title: ChemElectroChem Volume: 7 Issue: 24 Pages: 5029-5035
  • DOI: 10.1002/celc.202001271
  • Peer Reviewed
• [Presentation] BiVO4へのボールミル処理効果 (2022)
  • Author(s): 宮崎健志郎, 奥野和哉, 加藤康作, 山方啓, 熊谷啓, 加藤英樹
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Zスキーム系の拡張に向けた酸窒化物光触媒への助触媒検討 (2021)
  • Author(s): 森下直人, 小林亮, 加藤康作, 山方啓, 熊谷啓, 加藤英樹
  • Organizer: 第40回光がかかわる触媒化学シンポジウム
• [Presentation] Z-scheme photocatalytic water splitting using perovskite-type oxynitrides as oxygen-evolving photocatalysts (2021)
  • Author(s): Hideki Kato, Ryosuke Aoyagi, Naoto Morishita, Makoto Kobayashi, Hiromu Kumagai
  • Organizer: International Conference on Materials and Systems for Sustainability
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Water splitting by Z-scheme system employing perovskite-type oxynitride photocatalysts (2021)
  • Author(s): Hideki Kato, Makoto Kobayashi, Hiromu Kumagai
  • Organizer: 3rd 5+2 International Joint Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Application of oxynitrides to photocatalytic water splitting (2021)
  • Author(s): Hideki Kato
  • Organizer: International Joint Symposium On-line: Challenge to Develop Innovative Photocatalyst
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 遷移金属ドーピングにより長波長応答化した光触媒および導電性高分子正孔輸送剤を組み合わせたZスキーム型光触媒シートによるソーラー水分解 (2021)
  • Author(s): 永塚健悟, 夏目脩平, 吉野隼矢, 森下直人, 山口友一, 加藤英樹, 工藤昭彦
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] La0.5Sr0.5Ta0.5Ti0.5O2Nの光電気化学特性の向上を目指した合成法および表面修飾法の検討 (2020)
  • Author(s): 高濱太一, 熊谷啓, 加藤英樹
  • Organizer: 第126回触媒討論会
• [Presentation] La0.5Sr0.5Ta0.5Ti0.5O2Nを酸素生成光触媒として用いた種々のZスキーム水分解系の構築 (2020)
  • Author(s): 熊谷啓, 青柳良輔, 高濱太一, 小林亮, 加藤英樹
  • Organizer: 第126回触媒討論会
• [Presentation] 長波長応答性金属酸化物および導電性高分子を用いた光触媒シートによるZスキーム型水分解 (2020)
  • Author(s): 永塚健悟, 夏目脩平, 吉野隼矢, 森下直人, 山口友一, 加藤英樹, 工藤昭彦
  • Organizer: 第39回光がかかわる触媒化学シンポジウム
• [Presentation] 金属硫化物水素生成光触媒,長波長応答酸素生成光触媒および還元型酸化グラフェン電子伝達剤からなる可視光水分解のためのZ-スキーム系の開発 (2020)
  • Author(s): 守屋海沙, 青柳良輔, 三石雄悟, 加藤英樹, 佐山和弘, 工藤昭彦, 岩瀬顕秀
  • Organizer: 日本化学会第100回春季年会
• [Presentation] ペロブスカイト型酸窒化物のZスキーム水分解系における酸素生成光触媒への応用 (2019)
  • Author(s): 青柳良輔, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
  • Organizer: 第124回触媒討論会
• [Presentation] Improvement of activities of Z-scheme systems composed of SrTiO3:Rh and BiVO4?by deposition of two kinds of cocatalyst on SrTiO3:Rh (2019)
  • Author(s): H.P. DUONG, M. KOBAYASHI, H. KUMAGAI, A. IWASE, A. KUDO, M. KAKIHANA,
  • Organizer: 第124回触媒討論会
• [Presentation] La0.5Sr0.5Ta0.5Ti0.5O2N光触媒の高活性化に向けた合成法の検討 (2019)
  • Author(s): 高濱太一, 斎藤高雅, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
  • Organizer: 第124回触媒討論会
• [Presentation] 粒径制御のためのBiVO4の合成法の検討およびその光触媒活性評価 (2019)
  • Author(s): 奥野和哉, 熊谷啓, 垣花眞人, 加藤英樹
  • Organizer: 第124回触媒討論会
• [Presentation] Improvement of Activity of Rh-doped SrTiO3?Photocatalyst Aiming at Enhancement of Efficiency of Z-scheme Water Splitting (2019)
  • Author(s): H.P. Duong, T. Mashiyama, M. Kobayashi, A. Iwase, A.Kudo, M.Kakihana, H. Kato
  • Organizer: Institute of Materials and Systems for Sustainability
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 粒子の微細化によるBiVO4光触媒の高活性化 (2019)
  • Author(s): 奥野和哉, 熊谷 啓, 垣花眞人, 加藤英樹
  • Organizer: 令和元年度 日本セラミックス協会東北北海道支部研究発表会
• [Presentation] 溶液法による無機材料合成と光触媒開発への応用 (2019)
  • Author(s): 加藤英樹
  • Organizer: 第4回東日本キャタリシスセミナー
  • Invited
• [Presentation] ペロブスカイト型の可視光応答性光触媒 (2019)
  • Author(s): 加藤英樹
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所 共同利用・共同研究ワークショップ
  • Invited