2017 Fiscal Year Annual Research Report
Sodium Tantalate (NaTaO3) Photocatalysts: Why So Active for Water Splitting
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16H02250
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大西 洋 神戸大学, 理学研究科, 教授 (20213803)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小堀 康博 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (00282038)
立川 貴士 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 准教授 (20432437)
高橋 康史 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 准教授 (90624841)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 半導体光触媒 / 電子励起状態 / 電子-正孔再結合 / 電荷分離 / 光化学反応 / 金属酸化物 / エックス線吸収分光 / 走査型電気化学顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体光触媒を用いた人工光合成の量子収率を上げるためにバンドギャップ励起によって生じる電子と正孔の再結合を抑制しなければならない。工藤ら（東京理科大学）はランタノイドまたはアルカリ土類金属元素をドーピングしたタンタル酸ナトリウム（NaTaO3）を用いて非常に高い（50%超）量子効率で水の全分解を達成した。研究代表者らによるこれまでの研究によって、金属ドーピングによって電子-正孔再結合を抑制して高量子収率を実現することが明らかとなっている。ところが一方で、ドーピングした金属カチオンはホスト結晶中の不純物であり電子-正孔再結合を促進しうる。特定の金属元素ドーピングが再結合を抑制するメカニズムを解明することが研究プロジェクト全体の目的である。
昨年度から引き続いてNaTaO3に固相合成法でドーピングしたSr2+の局所構造をPhoton FactoryにおいてX線吸収分光法で解析し、カールスルーエ工科大学（ドイツ）に所属する共同研究者によるエックス線回折リートベルト解析とあわせて国際学術誌（ACS Catalysis）に発表した。KTaO3単結晶にCa2+をドープした光触媒モデルのCaKβ蛍光エックス線ホログラムを定量的に解析し、Ca2+がK+とTa5+の両方を置換することを明らかにして国際学会発表した。
さらに水分解反応の最終生成物である酸素分子を溶存状態で時間分解検出するために、走査型電気化学顕微鏡による測定方法を最適化した。酸化ニッケル助触媒で修飾したSrドーピングNaTaO3光触媒をLED光（波長280 nm）で励起したとき、直径6 μmの白金電極を用いて、励起光のON/OFFに応じた電流応答を0.1秒程度の時間分解能で計測できることを確認した。電極を微小化することで、液中拡散に要する時間を短縮して、生成物検出の時間分解能を向上させるコンセプトを実証した。
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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
エックス線吸収分光と蛍光エックス線ホログラフィーによるドーピング元素の局所構造解析はSr2+とCa2+について完了し計画どおりに進捗している。走査型電気化学顕微鏡による溶存酸素生成の時間分解検出手法の開拓に次年度前半までを要する計画であったが、本年度中に完了したことは計画をうわまわる進展である。電子スピン共鳴と深紫外光励起蛍光顕微鏡による電子励起状態計測はやや計画より遅れている。以上を総合してプロジェクト全体として「おおむね順調に進展」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ドーピング元素の局所構造解析（エックス線吸収分光と蛍光エックス線ホログラフィー）はLa3+をはじめとするランタノイド元素について実施し、カチオン電荷の差違が置換サイトの占有状況におよぼす影響を明らかにする。走査型電気化学顕微鏡による溶存酸素生成の時間分解検出は極めて新規性の高い計測評価方法であり、光触媒反応ばかりでなく生化学反応など多彩な分野へ発展応用する可能性があるため、関連分野の研究者誰もが納得するレベルとなるように丁寧な研究を進めて成果発表する。
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| Remarks |
神戸大学理学研究科化学専攻大西研究室（韓国語版）
http://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index-K.html
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[Presentation] NaTaO3 Photocatalysts Doped with Alkaline Earth Metals: Simultaneous Doping of A site and B site in Perovskite-Structured Lattice2017
Author(s)
An, L.; Fujiwara, T.; Kitta, M.; Sasaki, T.; Ebisu, Y.; Happo, N.; Kimura, K.; Ichikuni, N.; Hayashi, K.; Onishi, H
Organizer
International Symposium on Novel Energy Nanomaterials, Catalysts and Surfaces for Future Earth
Int'l Joint Research
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