2019 Fiscal Year Annual Research Report
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19H02820
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| Research Institution | Toyota Technological Institute |
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Principal Investigator |
山方 啓 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60321915)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
酒多 喜久 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (40211263)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 再結合速度 / 欠陥準位 / 時間分解分光測定 / キャリアダイナミクス / 光励起 / レーザー分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SrTiO3にNaをドープすると水分解の光触媒活性が飛躍的に向上することが報告されている。しかし、そのメカニズムが分かっていなかった。そこで、本研究ではこのメカニズムを解明するために、時間分解分光測定を用いて光励起キャリアの挙動を詳しく調べた。
まず、ドープ無しの試料に355nmの紫外光パルスを照射してマイクロ秒領域の過渡吸収を測定すると、14000 cm-1以上と14000~5000 cm-1、そして5000 cm-1以下に、トラップ正孔、トラップ電子、自由電子に帰属される吸収が観測された。次に、試料にNaをドープすると、自由電子の吸収強度は若干減少するが、トラップ電子の強度が10倍以上増加した。この結果は、Naドープにより再結合が劇的に抑制されることを意味している。このトラップ過程をさらに詳しく調べるために、フェムト秒レーザーを用いて調べたところ、ドープ無しの場合、自由電子とトラップ電子は共に光励起から数ps以内に減少し始めた。一方、Naをドープした場合、無ドープと同様に自由電子は光照射直後から減少するが、トラップ電子は光照射から約20 psにわたり増加し続けた。この結果はNaドープで導入されたトラップサイトに電子が蓄積されることを意味している。トラップサイトに電子が捕捉されると電子の動きが遅くなり正孔との衝突確率が低下する。その結果、トラップ電子の寿命が長くなったと説明できる。このときNaをドープした試料に水素生成助触媒であるRhCrOxを担持すると、助触媒に電子が移動することが分かった。この結果は、電子はトラップされているにも関わらず担持した助触媒に移動可能であり、光触媒反応に寄与できることを意味している。つまり、Naは欠陥準位を形成し再結合を劇的に抑制するが、このトラップ電子の反応活性は維持されるために、定常反応活性が向上することを明らかにした。
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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
一般に半導体に欠陥を導入すると再結合が促進されると考えられてきた。しかし、欠陥を導入することで再結合を抑制できることを明らかにした。欠陥に電子がトラップされるとエネルギーが低下するので反応活性は低下するはずである。しかし、SrTiO3にドープしたNaの場合、電子の反応活性はそれほど大きく低下しないことを見いだした。一般に欠陥は光触媒活性を低下させる主な原因であると考えられてきたが、逆に活性向上に役立つことを見いだしたことが本研究の最も重要な発見である。
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| Strategy for Future Research Activity |
欠陥には光触媒活性を低下させる物もあれば、逆に光触媒活性の向上に役立つ物もある。この違いを明らかにすることができればより戦略的に欠陥を設計することが可能であると考えられる。今後はこの違いを調べる研究を続けていく。
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[Journal Article] Atomically Dispersed Antimony on Carbon Nitride for the Artificial Photosynthesis of Hydrogen Peroxide2021
Author(s)
Zhenyuan Teng, Qitao Zhang, Hongbin Yang, Kosaku Kato, Wenjuan Yang, Ying-Rui Lu, Sixiao Liu, Chengyin Wang, Akira Yamakata, Chenliang Su, Bin Liu, Teruhisa Ohno
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Journal Title
Nature Catalysis
Volume: 4
Pages: 374-384
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Sequential cocatalyst decoration on BaTaO2N towards highly-active Z-scheme water splitting2021
Author(s)
Zheng Wang, Ying Luo, Takashi Hisatomi, Junie Jhon M Vequizo, Sayaka Suzuki, Shanshan Chen, Mamiko Nakabayashi, Lihua Lin, Zhenhua Pa, Nobuko Kariya, Akira Yamakata, Naoya Shibata, Tsuyoshi Takata, Katsuya Teshima, Kazunari Domen
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 1005
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Na-containing Pt cocatalyst for efficient visible-light-induced hydrogen evolution on BaTaO2N2021
Author(s)
Huihui Li, Daling Lu, Shanshan Chen, Takashi Hisatomi, Junie Jhon M. Vequizo, Jiadong Xiao, Zheng Wang, Lihua Lin, Qi Xiao, Yuliang Sun, Yugo Miseki, Kazuhiro Sayama, Akira Yamakata, Tsuyoshi Takata , Kazunari Domen
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Journal Title
Journal of Materials Chemistry A
Volume: -
Pages: -
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Synthesis of Three-Layer Perovskite Oxynitride K2Ca2Ta3O9N2 H2O and Photocatalytic Activity for H2 Evolution under Visible Light2020
Author(s)
Ya Tang, Kosaku Kato, Takayoshi Oshima, Hiroto Mogi, Akinobu Miyoshi, Kotaro Fujii, Kei-ichi Yanagisawa, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Masatomo Yashima, Kazuhiko Maeda
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Journal Title
Inorganic Chemistry
Volume: 59
Pages: 11122-11128
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Heteroatom Dopants Promote Two‐Electron O2 Reduction for Photocatalytic Production of H2O2 on Polymeric Carbon Nitride2020
Author(s)
Peng Zhang, Yawen Tong, Yong Liu, Junie Jhon M. Vequizo, Hongwei Sun, Can Yang, Akira Yamakata, Fengtao Fan, Wei Lin, Xinchen Wang, Wonyong Choi
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Journal Title
Angewandte Chemie International Edition
Volume: 59
Pages: 16209-16217
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Activation of a Pt-loaded Pb2Ti2O5.4F1.2 photocatalyst by alkaline chloride treatment for improved H2 evolution under visible light2020
Author(s)
Haruki Wakayama, Kosaku Kato, Kodai Kashihara, Tomoki Uchiyama, Akinobu Miyoshi, Hiroko Nakata, Daling Lu, Kengo Oka, Akira Yamakata, Yoshiharu Uchimoto, Kazuhiko Maeda
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Journal Title
Journal of Materials Chemistry A
Volume: 8
Pages: 9099-9108
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Efficient photocatalytic hydrogen evolution on single-crystalline metal selenide particles with suitable cocatalysts2020
Author(s)
Shanshan Chen, Junie Jhon M. Vequizo, Takashi Hisatomi, Mamiko Nakabayashi, Lihua Lin, Zheng Wang, Akira Yamakata, Naoya Shibata, Tsuyoshi Takata, Taro Yamada, Kazunari Domen
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Journal Title
Chemical Science
Volume: 11
Pages: 6436-6441
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Solar-Driven Photoelectrochemical Water Oxidation over an n-Type Lead-Titanium Oxyfluoride Anode2019
Author(s)
Naoki Hirayama, Hiroko Nakata, Haruki Wakayama, Shunta Nishioka, Tomoki Kanazawa, Ryutaro Kamata, Yosuke Ebato, Kosaku Kato, Hiromu Kumagai, Akira Yamakata, Kengo Oka, Kazuhiko Maeda
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 141
Pages: 17158-17165
DOI
Peer Reviewed
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