大気圧ヘリウムプラズマ照射を援用した光触媒反応向上による水素発生プロセスの開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04793
• Research Institution: Hyogo Prefectural Institute of Technology
• Principal Investigator: 柴原 正文 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 主席研究員兼部次長 (80470219)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大久保 雄司 大阪大学, 工学研究科, 助教 (10525786) ; 本田 幸司 兵庫県立工業技術センター, その他部局等, 主任研究員 (20553085)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 酸化チタン / 表面改質 / 大気圧プラズマ / 光触媒 / 可視光応答性

Outline of Annual Research Achievements

酸化チタンに代表される光触媒は、環境に優しくクリーンかつ安定供給が持続可能なエネルギー変換材料である。しかし、酸化チタンは、太陽光エネルギーの約4%を占める紫外光成分のみに光触媒作用を起こすため、非常に効率が悪い。従来から、可視光成分に応答するように、酸化チタンに不純物をドープして不純物準位を発現させてバンドギャップを狭小化する方法が研究されてきた。
本研究では、高圧・高密度のヘリウムプラズマを酸化チタンに照射して微細な表面構造を創製して、さらに水素プラズマを照射して表面改質を施すと酸素欠損型光触媒が創製されるものと考えた。使用したプラズマ処理装置は、真空チャンバー方式のVHF励起で発生する誘電体バリア放電プラズマを用いる既存品である。そのため、試料表面へプラズマ中の正イオンを大量に引き寄せる機能はない。負直流バイアスを試料に印加するも、絶縁性の酸化チタンには効果がない。そこで昨年度、上記機能を付加するために、RF・直流バイアスの印加機構（直流・RF混合器、VHF遮蔽フィルター、RFマッチング）とRF・直流のアース遮蔽機構（絶縁材料製試料台、VHF用シールド板）を新規設計・製作した。VHFプラズマ中にRFプラズマを重畳することで、ラジカル発生量の増加も狙った。本年度は、これら機構を設置調整するとともに、ヘリウムプラズマならびに水素プラズマの照射処理の事前実験として、先ずはアンモニアプラズマによる酸化チタンの窒化効果を検証することにした。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

RF・直流バイアスの印加機構とRF・直流のアース遮蔽機構の設置調整する段階になって、新型コロナウイルス感染症対策により在宅勤務が強いられたため、作業完了が３ヶ月遅れた。また、最初にアンモニアプラズマによる酸化チタンの窒化効果を検証していたが、VHFプラズマとRFプラズマの重畳処理が窒化効果にダイレクトに関連付けることできず、データ整理ならびに検証に長時間を要して、さらに研究進捗が遅れた。

Strategy for Future Research Activity

検討する項目
１．二酸化チタン被膜に、大気圧ヘリウムプラズマを照射することで、被膜表面に微細構造を創製できるかを究明する。
２．続けて、二酸化チタン被膜に、大気圧（水素あるいはアンモニア）プラズマを照射することで、被膜表面が還元して可視光応答性が発現する酸素欠損型の光触媒を創製できるかを究明する。

Causes of Carryover

プラズマ照射直下を高温化するハロゲンランプ光源の追加設置まで至らなかった。