Artificial Photosynthesis by Sodium Tantalate Photocatalysts: Multinational Collaboration in Fundamental Science

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18KK0161
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 大西 洋 神戸大学, 理学研究科, 教授 (20213803)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 一國 伸之 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (40261937) ; 丸山 伸伍 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80732362) ; 橘田 晃宜 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (90586546) ; 長嶋 宏樹 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (60814027)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2023-03-31
• Keywords: 金属酸化物 / 半導体 / ドーピング / 電子励起状態 / 電子-正孔再結合 / 人工光合成 / 水素燃料

Outline of Annual Research Achievements

金属酸化物半導体にドーピングした金属イオンは結晶の完全性を損なう不純物であるにもかかわらず、電子-正孔再結合を抑制して光触媒反応の量子効率を向上させるのはどうしてか?　この問いに答える多国間協働チームを組織し、金属酸化物半導体の光励起・電子-正孔再結合・励起キャリア輸送・表面化学反応をつかさどる新しいサイエンスの発見が目的である。4年プロジェクトの最終年次となる2021年度には以下のような研究を実施した。なお、若手研究者の海外派遣を実施するために、繰越制度を使って研究期間を2022年度まで一年間延長した。
(1)界面選択的な振動分光による吸着種の化学分析:東北大学において酸化マグネシウム結晶板にチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)薄膜をパルスレーザー蒸着した。研究分担者がウィーン工科大学へ持参して液体水との界面に生じる化学種の振動スペクトルを和周波分光(SFG)で観測する計画であったがCOVID-19による渡航制限のため、薄膜をウィーンへ送って海外共同研究者に測定を依頼した。 測定結果をまとめた原著論文を海外共同研究者が作成中である。
（2）バリウムカチオンとランタンカチオンをドーピングしたタンタル酸ナトリウム（NaTaO3）光触媒微粒子をエックス線吸収分光法などで計測し、ドーピングしたカチオンが結晶内で占有するサイトを解析した成果を原著論文2報として発表した。
(3)顕微計測法による評価: チタン酸ストロンチウム光触媒微粒子にドーピングしたインジウムカチオンを走査型透過電子顕微鏡(STEM)による元素マッピングで可視化した成果を論文発表した。
(4)マイクロ電極を用いた反応生成物の時間分解検出：チタン酸ストロンチウム光触媒の表面から水中に放出される溶存酸素を0.1秒の時間分解能で計測し、酸素放出のメカニズムを解析した原著論文2報を発表した。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

研究代表者と分担者がウィーン工科大学・レンヌ大学・マックスプランク高分子研究所などを訪問して共同研究を展開する予定であったが、COVID-19による渡航制限のために2020-2021年度にわたって実施できなかったため。日本国内における共同研究は順調に進展し、東北大学で作成した光触媒薄膜をウィーン工科大学へ送付して分光計測する国際共同研究も実施できた。しかし、日本の若手研究者を海外派遣して国際的な人脈を作らせるという研究種目の目標に照らして「遅れている」と判断せざるを得ない。

Strategy for Future Research Activity

2022年4月現在では代表者と分担者の所属機関の渡航制限は緩和されつつある。その一方でウクライナ戦争によって旅客機空路が制限されるという予期せぬ障害が発生した。繰越制度を使って研究期間を2022年度まで延長したので、若手研究者の海外派遣をなんとか実施したい。

Causes of Carryover

研究代表者と分担者がウィーン工科大学・レンヌ大学・マックスプランク高分子研究所などを訪問して共同研究を展開する予定であったが、COVID-19による渡航制限のために2020-2021年度にわたって実施できなかったため次年度使用額が発生した。2022年4月現在では代表者と分担者の所属機関の渡航制限は緩和されつつある。次年度使用額を使って日本側研究者、とくに若い分担者の海外派遣をなんとか実施したい。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Jember University/National Research and Innovation Agency(インドネシア)
  • Country Name: INDONESIA
  • Counterpart Institution: Jember University/National Research and Innovation Agency
• [Int'l Joint Research] Wien Institute of Technology(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: Wien Institute of Technology
• [Journal Article] Long-Life Electrons in Metal-Doped Alkali-Metal Tantalate Photocatalysts Excited under Water (2021)
  • Author(s): Fu Zhebin、Hirai Takuya、Onishi Hiroshi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 125 Pages: 26398～26405
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c06618
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microelectrode-based transient amperometry of O₂ adsorption and desorption on a SrTiO₃ photocatalyst excited under water (2021)
  • Author(s): Kosaka Takumu、Ando Tomohiro、Hisatomi Takashi、Nishiyama Hiroshi、Zhou Yuanshu、Domen Kazunari、Takahashi Yasufumi、Onishi Hiroshi
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 23 Pages: 19386～19393
  • DOI: 10.1039/D1CP03264J
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dependence of Photoexcited Electron Behavior on Octahedral Distortion in Barium-Doped NaTaO₃ Photocatalysts (2021)
  • Author(s): Sudrajat Hanggara、Kitta Mitsunori、Katoh Ryuzi、Ichikuni Nobuyuki、Onishi Hiroshi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 125 Pages: 16403～16412
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c03334
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct confirmation of the dopant site in indium-doped SrTiO₃ photocatalyst via atomic-scale analytical transmission electron microscopy imaging (2021)
  • Author(s): Kitta Mitsunori、Taguchi Noboru、Sudrajat Hanggara、Onishi Hiroshi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 118 Pages: 153901～153901
  • DOI: 10.1063/5.0047290
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The role of the shell in core?shell-structured La-doped NaTaO₃ photocatalysts (2021)
  • Author(s): Sudrajat Hanggara、Kitta Mitsunori、Ito Ryota、Yoshida Tomoko、Katoh Ryuzi、Ohtani Bunsho、Ichikuni Nobuyuki、Onishi Hiroshi
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 23 Pages: 8868～8879
  • DOI: 10.1039/D1CP00375E
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] タンタル酸アルカリ光触媒：金属カチオンドーピングによる量子収率向上メカニズム (2021)
  • Author(s): 大西洋
  • Journal Title: 触媒 Volume: 63 Pages: 108-114
  • Peer Reviewed
• [Presentation] タンタル酸ナトリウム光触媒による水全分解反応生成物の時間分解検出 (2022)
  • Author(s): 細川大地; 高坂拓夢; 安藤智洋; 高橋康史; 大西洋
  • Organizer: 第129回触媒討論会
• [Presentation] アルミニウムをドーピングしたチタン酸ストロンチウム光触媒の単結晶モデル構築 (2022)
  • Author(s): 松井恭平; 大西洋
  • Organizer: 第129回触媒討論会
• [Presentation] 全反射赤外分光で水中観測した酸化チタン光触媒の電子励起状態 (2022)
  • Author(s): 付哲斌; 大西洋
  • Organizer: 第129回触媒討論会
• [Presentation] 水の完全分解で生成する溶存酸素のマイクロ電極による時間分解検出 (2022)
  • Author(s): 大西洋; 髙坂拓夢; 高橋康史; 久富隆史; 堂免一成
  • Organizer: 第129回触媒討論会
• [Presentation] タンタル酸ナトリウム光触媒の軟X線吸収分光：紫外光励起による酸素K吸収端の変化 (2022)
  • Author(s): 平井琢也; 長坂将成; 一國伸之; 大西洋
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] タンタル酸カリウム単結晶基板上でのタンタル酸ナトリウムの配向制御 (2022)
  • Author(s): 橘田晃宜; 大西洋
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 半導体光触媒による水の全分解反応：マイクロ電極による生成酸素の時間分解検出 (2022)
  • Author(s): 大西洋
  • Organizer: 電気化学会第89回大会
  • Invited
• [Presentation] An ATR-IR Scheme for Operando Characterization of Semiconductor Photocatalysts (2022)
  • Author(s): Onishi, H.
  • Organizer: International Iwasawa Conference 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 半導体光触媒のオペランド計測：赤外分光とマイクロ電気化学 (2022)
  • Author(s): 大西洋
  • Organizer: 触媒学会西日本支部キャラクタリゼーション講習会
  • Invited
• [Presentation] Time-Resolved Detection of Oxygen Released in Overall Water Splitting Reaction over SrTiO3 Photocatalysts, (2021)
  • Author(s): Kosaka, T.; Teduka, Y.; Ogura, T.; Zhou, Y.; Takahashi, Y.; Hisatomi, T.; Nishiyama, H.; Domen, K.; Onishi, H.
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2020 (Pacifichem2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Scanning Electrochemical Microscopy for Operand Detection of O2 Released on a SrTiO3 Photocatalyst Excited under Water, (2021)
  • Author(s): Kosaka, T.; Ando, T.; Takahashi, Y.; Hisatomi, T.; Nishiyama, H.; Domen, K.; Onishi, H.
  • Organizer: 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy (ICSPM29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microelectrode-Based Transient Amperometry of O2 Evolution on a SrTiO3 Photocatalyst Excited under Water (2021)
  • Author(s): Kosaka, T.; Zhou, Y.; Hisatomi, T.; Nishiyama, H.; Domen, K.; Takahashi, Y.; Onishi, H.
  • Organizer: International Symposium on Surface Science (ISSS-9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タンタル酸ナトリウム光触媒から生成する酸素の水中時間分解検出 (2021)
  • Author(s): 細川大地; 高坂拓夢; 周縁殊; 高橋康史; 大西洋
  • Organizer: 第128回触媒討論会
• [Presentation] 全反射赤外分光で観測した水中タンタル酸アルカリ光触媒の長寿命電子励起状態 (2021)
  • Author(s): 付哲斌; 平井琢也; 大西洋
  • Organizer: 第128回触媒討論会
• [Presentation] Metal Cation Doping to Perovskite-Structured Compounds for Artificial Photosynthesis (2021)
  • Author(s): Onishi, H.
  • Organizer: The 1st Japan-China Symposium on Catalysis (1stJCSC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] チタン酸ストロンチウム光触媒による水分解反応：マイクロ電極を用いた溶存酸素濃度変化の時間分解計測 (2021)
  • Author(s): 大西洋
  • Organizer: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 神戸大学理学研究科大西研究室（日本語版）
  • URL: https://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/
• [Remarks] 神戸大学理学研究科大西研究室（英語版）
  • URL: https://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index-E.html
• [Remarks] 神戸大学理学研究科大西研究室（インドネシア語版）
  • URL: https://www.edu.kobe-u.ac.jp/sci-onishi/index-I.html
• [Remarks] 分子科学研究所物質分子科学研究領域大西グループ（日本語版）
  • URL: https://www.ims.ac.jp/research/group/onishi/
• [Remarks] 分子科学研究所物質分子科学研究領域大西グループ（英語版）
  • URL: https://www.ims.ac.jp/en/research/group/onishi/