2018 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of gas phase photocatalysis on nanostructured semiconductor surfaces and its application toward artificial photosynthesis
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17K18886
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
野田 啓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30372569)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 半導体ナノ構造 / 光触媒 / 人工光合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
まず、パルス電着を用いたp型の酸化銅（I）（Cu2O）のナノ構造作製に着手し、堆積されるp型Cu2O微粒子の粒径や結晶性の制御をある程度確立した。また、Cu2Oのパルス電着の初期過程（核成長や核形成）を電気化学測定によって追跡する新手法を提案した。
続いて、陽極酸化で作製したn型の酸化鉄（Fe2O3）ナノチューブアレイ表面にCu2O微粒子膜を堆積したFe2O3/Cu2O複合体に対して、気相メタノールと気相水を用いた可視光照射下での光触媒反応評価を行った。助触媒貴金属を用いなくても、可視光照射に伴う水素生成が生じることを確認し、p型とn型のヘテロ接合におけるZ-スキーム反応機構が寄与していることを示唆する結果を得た。更に、高真空下と大気圧下での気相光触媒反応分析を用いて、Pt担持酸化チタン（TiO2）ナノチューブアレイ表面での二酸化炭素（CO2）の光還元過程を追跡し、CO2の光還元によって生成されるCOやメタンを検出するに至った。
更に、ケルビンプローブ原子間力顕微鏡（KPFM）によるTiO2表面における光照射前後での表面電位計測を実施し、不活性雰囲気中での光照射後の表面電位の緩和時間が、大気下よりも更に長くなることを見出した。この現象は光触媒反応に寄与する光誘起キャリア（正孔）の振る舞いを反映したものであると推測される。また、TiO2ナノチューブアレイを用いて、水素生成と分離を同時に実現するメンブレンリアクターに関して、化学的剥離に基づく自立型メンブレンの作製が可能であることを新たに見出した。
以上のように、 ワイドギャップ半導体材料を対象として、気相反応場に着目した新しいバンドエンジニアリングの指針の開拓、及び高機能光触媒メンブレンリアクターに向けて有益な成果を得た。
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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
Fe2O3/Cu2O複合体において気相反応場での光触媒水素生成を確認できたことで、Z-スキーム型を模擬した複合材料系の構築と可視光応答材料の開発において、一定の成果が得られた。また、人工光合成を念頭においた二酸化炭素の光還元過程の追跡にも実際に着手し、予備的な実験結果を得るに至った。これらは概ね研究計画に沿った成果であると言える。
それと並行して、ケルビンプローブ原子間力顕微鏡を用いた半導体光触媒表面における表面電位計測も継続して取り組み、光励起されたキャリアの緩和過程が測定雰囲気によって大きく影響を受けることを見出し、現在、その成果について論文投稿を行っている。更に昨年度に得られた光触媒メンブレンリアクターの温度制御に関する成果については、学術論文への掲載に至っている。理論計算による実験結果の予測や検証については進捗が遅れているものの、以上の事由により、本研究課題は概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、理論計算によるアプローチも精力的に進めていく。遷移金属を含んだ化合物半導体や二次元系材料から構成されるナノ構造表面に対して、密度汎関数法によるエネルギーバンド構造の計算を行う。その結果により予測される電子状態と、気相反応場での可視光応答及び光触媒活性との相関を追跡していく。
実験で用いる光触媒材料としては、昨年度と同様、Z-スキーム型を模擬した複合材料系を活用すると共に、より高効率な可視光応答光触媒材料の開発を試みる。更に、気相光触媒反応分析装置を用いて、光触媒水素生成過程と二酸化炭素光還元過程における実時間観測を推進し、それらの量子収率や半導体ナノ構造の基本的な物性値との相関について調査を進める。また、KPFMによる表面電位計測結果を基に、理論計算や気相光触媒反応分析で得られる結果の相補的な検証を行う。
上記の成果を活用して、可視光応答性を有する光触媒リアクターを新たに構築し、その性能評価を実施することで、本研究での取り組みの有用性を検証する。
以上の研究項目に基づき、これまで全く議論されていない、気相反応場における光触媒材料表面のエネルギーバンド構造と光触媒反応系における酸化還元電位との相関、及び光触媒反応過程の解明に寄与する新しい知見を得ると共に、高機能光触媒メンブレンリアクター開発を目的とした研究を遂行する。
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| Causes of Carryover |
（理由）
研究計画当初に想定していた研究補助費（謝金）が不要になったこと、原子間力顕微鏡用カンチレバーの使用量が想定よりも少量であったため、物品費の支出が抑えられたこと、などが挙げられる。
（使用計画）
今後は、昨年度新たに導入したガスクロマトグラフ周辺におけるガス配管の増設や光触媒リアクターの新規構築を予定しており、ガスの流量制御やガス検出系に関わる部品類を多数購入する予定である。その他の消耗品費としては、光触媒試料作製に必要な基板や試薬類、真空機器メンテナンス用の部品、疑似太陽光源やキセノン（紫外光）光源の交換用ランプや光学測定用部品、原子間力顕微鏡用のカンチレバーなど、頻繁に使用される物品を、研究計画に合わせて適切な時期に購入できるように配慮した。旅費については、国内及び国外での各学会で年に１、２回の発表を行う予定で、その費用を考慮した。外国旅費については、海外で開催される国際学会に年に１～２度、参加する際に必要な渡航費と滞在費を概算している。また、研究の進捗状況によって、他機関の研究者または技術者による実験や理論計算の補助を必要とする場合を想定して、研究補助費（謝金）を計上している。最後に、本研究計画で得られる成果を発表する際の学会参加費や論文投稿料については、その他の費用項目で計上している。
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