Development of hydrogen generation process by improving photocatalytic reaction assisted by atmospheric pressure helium plasma irradiation

2023 Fiscal Year Annual Research 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, 生産技術部, 部次長 (80470219)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大久保 雄司 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (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 – 2024-03-31
• 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

従来から酸化チタンが可視光成分に応答するように、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研究がなされてきた。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、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を創製する手法も考案された。本研究では、ヘリウムで希釈した微量のアンモニアや窒素で発生させたプラズマを酸化チタン表面に照射して、微細構造の創製、窒素イオンのドープや水素ラジカルによる酸素欠損状態の発現を狙って可視光応答光触媒反応の可能性を検討した。当初使用した既存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、印加電極に高速回転する球電極を設置する仕様だった。絶縁性の酸化チタン試料表面へプラズマ中の正イオンを引き寄せるために、RFバイアスの印加機構（VHF遮蔽フィルター、RFマッチング）とRFのアース遮蔽機構（絶縁性試料台、VHF用シールド板）を新規製作した。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を狙った。しかし、高速回転球電極を用いた実験では、プラズマが球電極直下後方に楕円状の狭小領域で生じ反応ガスの流入量が少ないため、実験条件の最適化は困難と考えた。そこで、長尺のロッド状電極を試料表面に対向設置すると反応ガスの流入量も多く一様なプラズマの領域発生が期待できることから、当該構造へ改造した。また、長尺ロッド電極直下のプラズマ発生領域に対して、発光分光分析と発光分光温度測定を行う機能を整備した。次に、窒素イオンドープ効果の発現可能性を考慮して、サブ大気圧雰囲気におけるプラズマ条件（ガス組成、印加電圧）を変化させ、プラズマ発光強度や表面温度の測定結果と酸化チタン表面の化学状態との相関性を評価した。しかし、可視光応答反応の確認まで至らなかった。