2018 Fiscal Year Research-status Report
プラズモニックナノ構造光触媒の創製と実用的な完全水分解
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18K04701
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
河村 剛 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10548192)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズモニック光触媒 / 水分解 / 銀ナノロッド / チタニアナノチューブアレイ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で作製するプラズモニック光触媒の基本構成要素であるチタニアナノチューブアレイとプラズモニックナノロッドのうち、特に後者に関してその形状を変える方法を検討し、実際に異なる形状の試料についてそれらの光触媒特性を比較した。異なる形状のナノロッドを作製するために、電界析出法や光析出法などを用いて、多様な形状のナノロッドが析出したチタニアナノチューブアレイを作製した。プラズモニックナノロッドの素材としては、銀を採用した。これは、大きな電場増強効果を期待したためである。また、計画では助触媒を利用することを考えていたが、析出手法を確立するには至らなかったため、平成30年度は、白金対極を使用して、プラズモニック光触媒との2電極式構成を採用した。ローダミンなどの色素分子の消色試験の際は、光照射のみでの光触媒能を評価したが、作製したプラズモニック光触媒だけでは水分解することができなかったため、電界によるバイアスをかけることで、水分解特性の評価を実施した。特性評価の結果としては、ナノロッドのアスペクト比が大きくなるほど、長波長側の光照射時の水分解量、または光電流量が大きくなる傾向が観測された。これは、プラズモニックナノロッドの表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフトと一致しており、作製した試料において、表面プラズモン共鳴に関連した光触媒反応が起きたことを実証することができた。一方で、作製したプラズモニック光触媒で無バイアス水分解を行う場合には、助触媒の析出が必須であることも、改めて確認できた。
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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
研究計画に記した、チタニアナノチューブアレイとプラズモニックナノロッドの形状制御に関しては、特に後者において多様な液相析出手法を実施し、いくつかの形状の異なる試料の作製方法を確立した。前者については、作製時の電圧印加時間を制御することで、本研究で必要となる形状の範囲内で制御が可能であるだろうという目論見を立てるところまでは実験により確認した。一方で、チタニアナノチューブアレイを作製した際に、想定していなかった問題がいくつか生じた。例えば筒状細孔の一部が閉じてしまうことや、チューブトップに不純物が堆積してしまうなどであった。これらは、チタニアナノチューブアレイ作製時の温度や、電解液や基板の清浄度などに依存するものだと明らかにして、問題の解決ができた。チタニア光触媒での水分解において、有用だと思われる助触媒の析出を試みたが、期待通りには析出しなかったため、析出方法の修正を試みたが、年度内には達成できなかった。ただし、計画書でも助触媒の本格的な検討は2年目以降に行うと書いてあるため、全体計画への影響は軽微なものである。光触媒反応、特に水分解反応時における、酸化還元媒体や犠牲材の使用に関して、文献を参考にいくつかの候補を試し、本研究で用いる銀とチタニアで構成されたプラズモニック光触媒に適したものを選出した。水分解時に必要となる電場バイアスの強度についても詳細に検討を行い、およそ0.3 Vのバイアスが最低限必要であることも明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
チタニアナノチューブアレイの長さが非常に重要であることがわかってきたため、その点において、精密な制御を実施する。ナノチューブアレイは長いと比表面積が増大するが、プラズモニックナノロッドを均一に析出させることが困難になることと、電解液が筒状細孔の内部まで浸透しない、もしくは細孔内での液の対流が起こりにくいなどの問題が明らかとなった。また、長さなどの形状だけでなく、酸素欠損などをドープすることは今後行う予定である。プラズモニックナノロッドは、多様なアスペクト比の試料を作製できたが、一様なアスペクト比を有する試料や非常に大きなアスペクト比を有する試料を作製できなかったため、今後は、主にそれらの点を考慮して実験を実施する。助触媒については、昨年度はほとんど検討できなかったため、文献を参考に有効と思われる助触媒の析出を複数試す。助触媒の析出サイトや析出量など、光触媒能に大きく効いてくると思われる要素は、可能な限り多くの条件で試料を作製し、それぞれの特性を比較する。プラズモニックナノ構造光触媒全体の構造を最適化するためには、まずそれぞれの構成要素を決定する必要があるため、助触媒の選定が完了し次第、全体構造の最適化に着手する。酸化還元媒体や犠牲材に関しては、すでに目星をつけたが、今後異なる素材の光触媒を取り扱う上で、その時その時の最適な考えて研究を進めていく。光触媒反応のメカニズムについても、使用する元素や採用するナノ構造によって変化するため、光触媒反応効率の高い試料が得られた際に、その原因と共に調査する。
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Research Products
(2 results)
