Control of photocatalytic activity by designing the carrier flow using a lateral potential gradient and visualization of photocatalytic characteristics by correlation analysis
| Project/Area Number |
21H01805
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
小澤 健一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 准教授 (00282822)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 洋一 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20435598)
相浦 義弘 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (80356328)
間瀬 一彦 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (40241244)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
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| Keywords | 光触媒 / バンド傾斜 / 顕微分光 / 主成分分析 / 表面物性の可視化 / キャリアフロー / 顕微測定 / 軟X線分光 / 可視化 / 多変量解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，光吸収により光触媒表面に発生する光励起キャリアの表面内の流れ（フロー）を，表面の電子構造を人工的に改変することで制御し，高い光触媒活性が発現する仕組みを明らかにする。キャリアフローや活性の評価はマイクロメートルの空間分解能を持つ顕微電子分光により行い，光触媒活性と電子構造，元素組成，分子吸着活性の表面分布を可視化し，多量変数解析によりこれらの相関を取ることで活性発現機構の解明につなげる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，二酸化チタン表面の構造的，組成的な不均一性を利用して表面水平方向にバンドベンディングを導入し，光励起エキシトン分離とフリーキャリア密度の向上を図り光触媒活性の向上につなげることを目指す。そのために，放射光を利用した顕微光電子分光測定により，ポテンシャル，原子組成，吸着活性，光触媒活性等の二次元物性分布図を作成し，相関解析により高活性光触媒をデザインする因子を明らかにすることを目標にする。
令和4年度は，アナターゼ型二酸化チタン単結晶表面の一部をルチル型に転移させアナターゼ/ルチル接合界面がある表面を作製し，アナターゼ相，ルチル相，および接合界面での酢酸分子の紫外光レーザー照射による光触媒分解速度の再検証実験を行った。これにより三か所での相対的な光触媒活性が確定し（アナターゼ相＜ルチル相＜接合界面），界面に形成されるバンドベンディングがキャリア生成を促進し高活性化したためだと結論できた。この成果は令和5年度での論文出版を目指して準備中である。また，本実験の担当学生が，2022年度量子ビームサイエンスフェスタにて行った成果発表に対して，学生奨励賞を受賞した。
令和4年度は，ルチル型二酸化チタン表面にアルカリ金属を超高真空下で人為的に不均一蒸着することで，清浄領域と吸着領域が混在した試料も作製し，その表面のバンドベンディング分布を測定する実験も行った。アルカリ金属の吸着領域は清浄領域に比べて価電子バンドの上端が0.1～0.3 eV低く，ここでバンドベンディングが形成されていることを明らかにした。
顕微光電子分光測定装置の改良では，試料マニピュレータ（iGONIO）を更新した。これにより従来は試料のチルト回転角が±45度だったものが±90度まで広げることができ，真に表面に敏感な測定（斜出射測定）が可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初，令和4年度中に二酸化チタン単結晶のへき開面の顕微分光実験の論文を執筆・投稿する予定であったが，令和5年度にずれ込んでいる。一方，ルチル/アナターゼ混晶表面の顕微分光測定と光触媒活性評価は終了し，データ解析もほぼ終了している。この実験テーマの成果は既にさまざまな学会で発表しており（国際会議での発表を含む），令和5年度中には論文投稿をする予定である。
測定装置の改良では，試料マニピュレータを更新した上で，その成果論文をMeasurement誌（Elsevier）で発表した（2023年4月オンライン公開）。一方で，当初予定していた真空槽の更新は，納期がかかる事と金額の高騰のために令和4年度では実施することができなかった（これがやや遅れていると評価した最大の要因）。未使用額が出たのもこのためである。
二酸化チタン単結晶表面にアルカリ金属を蒸着して，バンドベンディングが不均一な表面を作製する実験は予定通りに進めることができ，令和5年度には光触媒活性の評価を実施する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である令和5年度は，二酸化チタン表面にアルカリ金属を不均一に蒸着して作製したドープ/非ドープ領域界面の光触媒活性評価の実験を行う。アナターゼ/ルチル接合界面の実験と同様に，酢酸をプローブ分子として用い，紫外光レーザーの照射による光触媒分解速度を，ドープ領域，非ドープ領域，および界面領域の3箇所で比較をし，バンドベンディングの勾配と光触媒活性の相関を検証する。
今年度の最後には，複数の方法（結晶のへき開，混相の作製，表面不均一ドーピング）で人為的に導入した表面平行方向にポテンシャル勾配を持つバンドベンディングが，光触媒の高活性化技術として有効であることを提案する予定である。
令和4年度に行えなかった顕微光電子分光装置の真空槽の更新も，今年度に行う予定である。真空槽はステンレス製の超高真空チャンバーと，地磁気の遮蔽のためにチャンバーに内張りするパーマロイ製のジャケットの組み合わせで作製する。試料トランスファーと光電子分光測定を異なるレベル（階層）とすることで，測定の自由度を高め，様々な測定（例えば，電子ビーム照射を行いながら，あるいは原子蒸着を行いながらの光電子分光測定，など）に対応できるようにする。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
