2017 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of the reaction mechanism of photocatalysis with spatio-temporally resoved single partice operando spectroscopy
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16H02249
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松本 吉泰 京都大学, 理学研究科, 教授 (70181790)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 顕微分光 / 過渡吸収分光 / 発光分光 / 水蒸気改質 / 単一粒子 / 和周波発生分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に得られた単一光触媒顕微分光、およびナノ光触媒集合体における結果を解析した他、本年度は正孔寿命の空間分布やガリアによる水蒸気改質などの研究に発展させた。以下に具体的な研究内容を示す。
(1) 顕微過渡吸収法によって前年度に得たバナジン酸ビスマスの正孔減衰挙動の粒子サイズ依存性をトラップ・ディトラップモデルにより解析を行なった。その結果、粒子のサイズが大きくなるほど減衰寿命が増大するのは二次粒子における一次粒子間の粒界がキャリアトラップとして機能することにより正孔寿命が長くなるとの結論に逹した。(2) バナジン酸ビスマス単粒子における正孔寿命の空間分布に関する予備的な測定に成功した。(3) 単一粒子における局所励起・局所プローブの測定方法の開発に着手した。(4) 電気化学セルを試作し、単一MoS2超薄膜の光電気化学反応を観測した。その結果、この試料を水中にて光励起すると自己腐食反応が起き、またその反応速度は印加電圧に大きく依存することが判明した。(5) 3種類のアナターゼ型の結晶構造を持つチタニアナノ粒子(ST-01, DAP, OAP)の赤外過渡吸収において、球状に近いST-01のみが正孔寿命の水蒸気圧依存性を示した。この前年度に得た結果を大規模量子化学計算により解析した結果、球状粒子表面では低配位のTiサイトが多数あり、これへの水分子吸着、および水分子との水素結合が正孔寿命増加の原因になっていることが判明した。(6) ガリアによるメタンの光触媒水蒸気改質反応の予備的実験に成功した。その結果、二酸化炭素と水素が概ね量論的に発生する他、一部エタンが発生することを明らかにした。(7) 和周波発生分光により、白金およびロジウム表面に吸着させた水分子の配向構造をプローブした。白金表面の氷結晶では一定方向に水分子が配向するが、ロジウム表面では無秩序な配向となることが判明した。
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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
単一粒子顕微過渡吸収分光においては、光誘起電荷のダイナミックスにおいて粒子間の粒界におけるキャリアトラップの及ぼす影響を明らかにすると共に、単一光触媒結晶における電荷寿命の分布を測定することにも成功している。MoS2超薄膜については光電気化学的反応が起きることを新たに発見し、この原因究明をしつつある。
また、光触媒粒子集合体の反応については以下のような進展があった。すなわち、チタニアナノ粒子の集合体における正孔補足能の水蒸気圧依存性については共同研究者との大規模計算によりその原因を明らかにすることができた。 また、ガリアによる光触媒的メタン水蒸気改質の予備的な測定も成功しつつある。
これらの結果は、触媒研究における圧力ギャップやマテリアルズギャップを埋める上で重要な進展であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) バナジン酸ビスマス単粒子における正孔寿命の空間分布に関する測定精度を上げ、予備実験の結果の再現性を確認する。
(2) 単一粒子における局所励起・局所プローブの測定において時間分解能の向上を図る。
(3) MoS2超薄膜の光電気化学的反応については、反応速度の定量的測定法を確立し、反応速度の膜厚、励起波長、励起光強度、印加電圧の依存性を測定する。そして、この結果から反応機構を解明する。
(4)ガリアによる光触媒的メタン水蒸気改質についてはメタンをはじめとする反応物の圧力依存性より反応機構を解明する。
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