2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of highly active visible-light responsive photocatalysts by the control of surface defects
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16H04188
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
山方 啓 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60321915)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
酒多 喜久 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (40211263)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 欠陥準位 / キャリアーダイナミクス / 助触媒 / 電荷移動 / 水分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2016年度までに、Ga2O3にCaやZnをドープすると、伝導帯から約0.2 eV低い位置に浅い欠陥準位が形成され、ここに電子がトラップされるとマイクロ秒領域に残存する光励起電子の寿命が著しく延びることを明らかにした。本年度は、この挙動をさらに詳しく調べた。まず、フェムト秒時間分解分光装置を用いて、光励起電子の寿命を計測した。その結果、光照射0 psにおける電子の数はドーピングの有無でほとんど変化しない。しかし、CaとZnをドーピングすると電子の減衰速度は著しく遅くなり、1000 psまでほとんど減少しないことが分かった。次に、Ga2O3に水素生成活性を促進するRhナノ粒子を担持すると、トラップ電子の減衰速度が加速され、Ga2O3からRhナノ粒子へ電子が移動することが確認された。この時、Rhへの電子移動速度はドーピングによってほとんど変化しない。しかし、ここで水蒸気を導入すると、マイクロ秒領域における電子の減衰速度がさらに加速され、Rhを経由して電子がGa2O3から水分子へ移動することが確認された。ドーピング無しの触媒の場合、光照射1 ms後における電子の数は、水蒸気を導入することで9/10程度に減少するが、ZnとCaをドーピングした場合には1/10以下に減少した。この結果は、ZnとCaをドープすると、電子は浅い欠陥準位にトラップされるにもかかわらず、電子の反応活性はむしろ高くなることを意味している。これは、ドープすると、担体中の電子の寿命が長くなり、それに伴って、Rhに移動できる電子の数が増加するためだと考えている。Rhナノ粒子に電子が移動するとRhのフェルミ準位が高くなる。Rhのフェルミ準位が高くなると、その電子はより高いエネルギーを持つので水の還元活性が高くなる。ZnとCaをドープすると、Rhへ移動する電子の数は増えるので光触媒活性は向上する。次年度は、このフェルミ準位の変化を観察する必要がある。
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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
Ga2O3にCaやZnをドープすると、浅い欠陥準位が形成され電子の寿命が延びる。しかし、この電子はエネルギーが低下しているにもかかわらず、水素生成助触媒として担持したRhナノ粒子へも障害なく移動できることを明らかにした。さらに、水分子との反応に対して、高い活性を維持していることが興味深い。従来、欠陥は光触媒活性を低下させる悪因だと考えられてきた。しかし、適度な深さの欠陥は活性向上に役立つことを実証したことに大きな意味があると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
2018年度は、ドーピングによってRhのフェルミ準位がどのように変わるかを明らかにする。さらに、理論計算の力を借りて、CaやZnをドープすると、どのような欠陥準位が形成されるのかを明らかにする。
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Research Products
(46 results)
