2015 Fiscal Year Annual Research Report
高い有機物酸化分解能を持つ可視光応答型ビスマス系複合酸化物材料の創製
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15J02790
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
小袋 由貴 宮崎大学, 農学工学総合研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | ビスマス系複合酸化物 / 異種元素添加 / 光触媒 / 微粒子 / 可視光応答 / 第一原理バンド計算 / バンドギャップ / 複合材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
可視光領域において優れた有機物酸化分解能を持つビスマス系複合酸化物光触媒の開発を目的として、１. 有機金属錯体の低温かつ短時間焼成による高比表面積なビスマス系複合酸化物微粒子の調製, ２. 異種元素添加による可視光吸収波長域の拡大（バンドギャップ狭窄化）に主に取り組んだ。
上述１では、有機酸錯体法またはヘテロ金属多核錯体法により前駆体粉末を合成し、空気中及び酸素雰囲気中で前駆体の熱分解挙動を調べた。熱処理には、電気抵抗式加熱炉（電気炉）とマイクロ波式加熱装置を使用した。
上述２では、ストロンチウム－ビスマス（SrO-Bi2O3）系複合酸化物に対してランタノイド元素を微量添加し、光吸収特性の変化を調べた。ランタノイド元素の中では、SrO-Bi2O3系複合酸化物のバンドギャップを減少させるためにはランタン(La)添加が最も有効であり、添加前と比較して可視光吸収領域が長波長側へ大きくシフトすることを見出した。La添加によるバンドギャップの狭窄化は、BiがLaで置換されるとBi-6s孤立電子対とO-2p電子との反発が消失して、局所的なBi周りの配位環境の歪みが緩和されることに起因することが第一原理分子動力学計算及びバンド計算から明らかになった。このようなビスマス系複合酸化物に対する異種元素の添加効果を実験と理論の両面から明確にしたのは、本研究が初めてである。
また、可視光照射下においてLaを添加したSrO-Bi2O3系複合酸化物粉末の揮発性有機化合物の酸化分解能力を評価したところ、バンドギャップの減少とともに、酸化分解活性（光触媒活性）が大きく改善されることが明らかとなった。SrO－Bi2O3系複合酸化物におけるLaの添加効果については、実験的および第一原理計算による理論的観点から詳細に検討し、その成果は学会発表や学術論文として公開した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度は、研究計画に沿って概ね順調に研究を遂行することができた。特に、ストロンチウム－ビスマス（SrO-Bi2O3）系複合酸化物にLaを添加するとバンドギャップが大きく減少することを実験的に見出すことができた点，及びバンドギャップが減少した理由について、第一原理分子動力学計算及びバンド計算から理論的に明確にできた意義は非常に大きい。さらに、La添加によってSrO-Bi2O3系複合酸化物の光触媒活性が実際に大きく改善されたことは、活性な可視光応答型光触媒の創製におけるバンドギャップ制御の重要性を示しており、今後の研究を展開する上において重要な指針になると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は、H27年度に得られたストロンチウム－ビスマス（SrO-Bi2O3）系複合酸化物に関する発見や重要な知見に基づいて、ビスマス系複合酸化物の一層の微粒子化や高比表面積化，及び粒子表面の微細構造制御（例えば多孔質化）について検討を行う。また、光触媒活性をさらに改善するために、ビスマス系複合酸化物と異種酸化物をヘテロ接合して界面電場を構築し、可視光吸収特性を改善するとともに電荷分離効率の高い材料系の設計を行う。
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[Journal Article] Effects of La doping on structural, optical, electronic properties of Sr2Bi2O5 photocatalyst2015
Author(s)
Y. Obukuro, S. Matsushima, K. Obata, T. Suzuki, M. Arai, E. Asato, Y. Okuyama, N. Matsunaga, G. Sakai
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Journal Title
Journal of Alloys and Compounds
Volume: 658
Pages: 139-146
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Electronic Structure of Ag6Ge2O72015
Author(s)
K. Ninomiya, Y. Obukuro, S.Matsushima, H. Nakamura, G. Sakai, M. Arai, K. Kobayashi,
Organizer
The 2nd International Symposium on Frontiers in Materials Science
Place of Presentation
早稲田大学西早稲田キャンパス 東京都
Year and Date
2015-11-20
Int'l Joint Research
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