2021 Fiscal Year Annual Research Report
Water Oxidation on Semiconductor Photocatalysts: How Completed under Dilute Photon Flux
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19H00915
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大西 洋 神戸大学, 理学研究科, 教授 (20213803)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小堀 康博 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (00282038)
高橋 康史 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 特任教授 (90624841)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 人工光合成 / 反応速度論 / オペランド計測 / 半導体光触媒 / 酸化反応 / 多電子反応 / マイクロ電極 / 赤外吸収分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
世界最高レベルの量子収率で水を完全分解する半導体光触媒は、希薄な励起光フラックスのもとで水を酸素に変換する4電子酸化反応を完了する。この反応の中間体は光触媒表面に生成して自由な水に曝されるにもかかわらず失活することなく反応を完了するのはなぜか? この問いに答えるために、化学変化の中間状態（半導体中の電子励起状態）と最終生成物(水中に放出される溶存酸素)の生成消滅を水中でオペランド計測し物質変換のメカニズムを速度論的に解析する研究である。
（1）走査型電気化学顕微鏡と（2）全反射赤外吸収分光法に太陽光に近い励起光フラックスを与える紫外発光ダイオード光を組みあわせた計測法を構築し、タンタル酸ナトリウム（NaTaO3）とチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）が水を4電子酸化する過程の測定と解析を進めた。
(1)反応生成物（分子状酸素）の時間分解検出： 4電子酸化反応の最終生成物として水中に放出される酸素を白金マイクロ電極を用いて0.1秒の時間分解能で電流に変換して検出し、計測結果を拡散シミュレーションと比較して、励起光照射から酸素放出までの時間遅れを定量的に決定した。SrTiO3光触媒に励起光を照射すると光触媒表面の酸素アニオン欠陥に溶存酸素分子が吸着し、励起光を消灯すると吸着した酸素分子が水中へ放出される現象を発見して原著論文として公表した。
(2)電子励起状態の時間分解計測：水中あるいは有機溶媒中でバンドギャップ励起した光触媒の赤外吸収スペクトルをダイアモンド製のプリズムを使って計測した。NaTaO3光触媒の計測結果を原著論文として公表し、酸化チタン（TiO2）光触媒の結果を学会発表した。これまで「励起電子」「励起正孔」とのみ認識されてきた電子励起状態が格子歪みと結合したポーラロンであることを示唆する成果である。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Research Products
(29 results)
