Experimental and theoretical analysis of the dynamic function of molecular and semiconductor-based photocatalysts

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space
• Project/Area Number: 17H06438
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: Nozawa Shunsuke 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 (20415053)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山下 晃一 京都大学, 実験と理論計算科学のインタープレイによる触媒・電池の元素戦略研究拠点ユニット, 特任教授 (40175659)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Keywords: 人工光合成 / 光触媒 / 分子動画 / XAFS / XFEL / 放射光 / 構造解析 / その場観察

Outline of Final Research Achievements

Transient changes in the structural and electronic states of photoreactive proteins and many homogeneous and heterogeneous photocatalysts were visualized by X-ray molecular imaging and theoritical approaches, and the dynamic information provided design guidelines for synthesizing more efficient photocatalytic materials. Pump-probe measurements using XFEL and operando measurements using synchrotron radiation enabled us to visualize the initial reaction pathway and the progress of the reaction diagram. This artificial photosynthesis study presented a new approach to detail the factors that determine the efficiency and selectivity of photofunctionality from a structural and electronic point of view.

Free Research Field

放射光科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高機能な光触媒材料の反応過程を追跡することで、それを模倣して更に良い機能性を持たせるには、素過程としてどのような電子状態・構造を持てばいいのか、このような基本的かつ根本的な問題に対して、構造・局所電子状態の立場から指標を与えられた点に、本研究の学術的意義がある。また、他の計測技術と相補的な比較研究ができ、また、材料開発研究とも密接な連携が行える本研究は、エネルギー問題解決に向けた人工光合成研究の活性化をもたらす点において、大きな社会的意義を持つ。