2017 Fiscal Year Research-status Report
チタンのマイクロ・ナノ微細突起物を利用した光触媒電極による水素生成の効率化
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16K06780
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| Research Institution | Hiroshima Kokusai Gakuin University |
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Principal Investigator |
中佐 啓治郎 広島国際学院大学, 工学部, 研究員 (80034370)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
久保 隆 広島国際学院大学, 工学部, 講師 (60309622)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 触媒・化学プロセス / 光触媒電極 / 水素 / ナノ材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エネルギ・環境問題を解決するため、クリーンで枯渇しない太陽エネルギの利用が期待されているが、その手段の一つに、光触媒を用いた水からの水素の製造がある。本研究の目的は、スパッタエッチングにより形成した微細突起物を利用して太陽光を最大限に吸収し、光触媒による水素変換効率を高めることである。
平成29年度は、まず、Pdを0.18％含むチタン合金（TP340Pd）およびTi-15％V-3％Cr-3％Sn-3%Al合金のスパッタエッチングを行い、それぞれ直径が1μm以下の微細な穴および微細なパイプ状突起物が形成されることを明らかにした。これらの表面酸化試料の光触媒効果を調べたところ、TP340Pdでは昨年度に調べた工業用純チタン（TP340）と同程度の光触媒効果があったが、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金の光触媒効果はTP340のそれよりも低かった。後者では、昨年度に調べたTi-6Al-4VおよびTiAl合金と同様、酸化アルミニウムの形成が酸化チタンの光触媒効果を阻害したものと思われる。
つぎに、TP340試験片をW板上に置いてスパッタエッチングすると（Ti/W試料と呼ぶ）幅が200nm以下の微細突起物が形成されるが、表面酸化試料の光吸収率は大きくても光触媒効果は小さかった。これは、W酸化物がｎ型半導体で、酸化チタンとn-n接合を形成して光触媒効果を相殺したためと思われる。一方、酸化第一銅板を陰極として用いるとp-n接合となり、白金線を陰極とした場合と同等の水素発生効果があることを確かめた。
また、Ti/SUS304試料をW板上に置いてスパッタエッチングすると、底面直径が約5ミクロンメータの円錐状突起物の上に微細な突起物が形成されることを明らかにした。このようなマルチスケール突起物は、高い光吸収率を保持したままで触媒反応場所を増やすと思われる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
酸化処理したTP340/SUS304およびTP550/SUS304スパッタエッチング試料の水素発生量は、酸化処理した平坦試料（スパッタエッチングせず）の水素発生量よりも可視光領域で多い傾向にあるが、紫外・可視光領域を含めた全体の水素発生量は、これまでに報告されている多成分系ナノ粒子（白金などを担持あるいはp-n接合を利用）のそれに比べるとかなり低い。スパッタエッチングによる微細突起物あるいはマルチスケール突起物の形成により、光吸収の促進あるいは触媒活性点の増加が光触媒効果を促進させるとしても、現在まで、市販のチタン合金から作製した微細突起物の酸化物およびスパッタによる一般的な付着金属粒子の酸化物のみを利用して、水素発生量を大幅に改善できる方法を見出すことはできていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 昨年度の研究で、工業用純チタン（TP340：Ti）をタンタル（Ta）、ニオブ（Nb）板の上に置いてスパッタエッチングすると（Ti/Ta、Ti/Nb試料）、Ti/W試料と同様、微細な突起物が形成されることが分かったが、本年度はTi/Ta、Ti/Nb、Ti/Zr（ジルコニウム）、Ti/Mo（モリブデン）試料を酸化させた場合について、光触媒反応を調べる。もし、Ti/W試料と同様、付着酸化物が光触媒効果を減少させる場合には、これらの試料を再度SUS304板またはCu板の上に置いてスパッタエッチングし、微細突起物が崩壊しない範囲で付着粒子をスパッタ除去することを試みる。これらにより、微細突起物による大きな光吸収効果を保持したままで不要な酸化皮膜を除去できるか、あるいはn-n接合で光触媒効果を増大できるような組み合わせが存在するか、を明らかにする。
(2) 酸化チタンに不純物をドーピングする方法については、アルゴンと窒素の混合ガスを用いて表面をプラズマ窒化したのち酸化した平坦試験片について予備験を行ったが、水素発生量を大きく増加させることができなかった。今後、窒素含有量を変化させて水素発生量を調べる。
(3) バンドギャップを低下させる元素（Fe、V、Crなど）を添加した合金を作製し、スパッタエッチングにより微細突起物を形成させて光触媒効果を調べる。試験片の作製には、少数の試験片が作製でき、合金元素を大幅に変えるのに有利な放電焼結法を用いる。
(4) 昨年度作製したマルチスケール突起物の表面に、p-nあるいはn-n接合により酸化チタンの光触媒機能性を向上させることがすでに知られているナノ粒子あるいは薄膜（CuO、Co3O4、Cu3Nなど）をスパッタコーティングし、光吸収率が大きくて反応面積が広いという微細突起物の特性が、光触媒効果の増大に役立つかどうかを明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本年度までに、光触媒効果が従来のものよりも優れた試料を作製することができれば、各種の分析（近赤外線吸収率の測定、X線解析、成分分析）を数社の分析企業あるいは公的機関に依頼する予定であったが、その段階に至らなかった。このため、分析費用を来年度に残した。
来年度は、合金元素を添加することにより突起物試験片のバンドギャップが低下するかどうかを明らかにするため、多数の試料を放電焼結法（外注）により作製する。また、マルチスケール突起物に光触媒機能に優れた粒子または薄膜をスパッタコーティングするため、これに対応する各種のターゲットを購入あるいは外注により作製する。これらの実験により、光触媒機能性に優れた試料ができれば、その理由を考察するための分析費用が必要になるので、未使用額は、そのために用いる。
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Research Products
(2 results)
