2020 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 / 欠陥 / 再結合 / 時間分解分光 / キャリアダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでにGa2O3粒子のバルクにCa、表面にZnをドープすると、光触媒活性が飛躍的に向上するが、これはドープしたCaやZnが電子をトラップすることで再結合を著しく抑制するためであることを明らかにしている。しかし、なぜ表面にZnでバルクにCaをドープすることが最も効果的なのか、その原因が分かっていなかった。そこで、本研究ではこの原因を究明した。
時間分解分光計測の結果、CaとZnはともに伝導帯の下0.2 eV のところに浅い不純物準位を形成し、その深さはCaとZnでほとんど違いがなかった。しかし、トラップ電子の反応性に大きな違いがあった。Caの場合は気相に導入した水蒸気と電子は光照射100usまでに約50%が反応していたが、Znの場合、65%以上であった。これは粒子表面でトラップされた電子は粒子内部でトラップされた電子よりも反応分子にアクセスしやすい、というモデルで説明できる。
一方、ZnとCaを共ドープした場合、トラップ電子は約75％が反応し、反応活性がさらに向上していた。これはバルクから表面にかけてドーパントの濃度勾配ができているためであると考えている。電子の拡散はトラップ準位の電子占有率を一致させる方向に進行する。したがって、ドーパントに濃度勾配がある場合、バルク内部でトラップされた電子は表面に拡散しやすいことが期待される。
ZnとCaをそれぞれ表面とバルクにドープした理由は、ZnはCaよりイオン半径が小さいため、Ga2O3粒子の表面に含浸法で高ドープしやすく、Znはアンモニアと水溶性のアンミン錯体を形成するためGa(NO3)3溶液を用いたアンモニア共沈法によってGa2O3のバルクにドープしにくいからである。つまり、ドーパントの化学的特性の違いを利用してドーパントの空間分布をうまく制御すれば、キャリアの動きを制御して活性を飛躍的に向上できることが分かった。
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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
昨年度までに、従来の予想に反して光触媒粒子に形成された欠陥や不純物準位は再結合を抑制し、光触媒活性の向上に役立つことを明らかにした。しかし、今回、このドーパントの空間分布を上手く制御することで、バルクの内部に捕捉され、表面に吸着した分子にアクセスしにくいトラップ電子も、表面に拡散しやすくできることを明らかにした。このようなトラップ電子の拡散を制御することは光触媒活性を制御する上で極めて重要であるが、CaとZnの化学的な特性の違いを上手く利用することで可能であることを示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 |
欠陥や不純物は光触媒活性の向上に役立つ場合があることを見いだしたが、さらに活性を向上させるためは、これらの準位の深さと空間分布を制御することが重要である。今後、ドーパントの種類やドーピングの方法、加熱処理などによってこれらを制御する研究を継続する。
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[Journal Article] Enhanced Overall Water Splitting by a Zirconium-Doped TaON-Based Photocatalyst2022
Author(s)
Jiadong Xiao, Shinji Nishimae, Junie Jhon M. Vequizo, Mamiko Nakabayashi, Takashi Hisatomi, Huihui Li, Lihua Lin, Naoya Shibata, Akira Yamakata, Yasunobu Inoue, Kazunari Domen
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Journal Title
Angewandte Chemie International Edition
Volume: 2022
Pages: e202116573
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Manipulation of charge carrier flow in Bi4NbO8Cl nanoplate photocatalyst with metal loading2022
Author(s)
Kanta Ogawa, Ryota Sakamoto, Chengchao Zhong, Hajime Suzuki, Kosaku Kato, Osamu Tomita, Kouichi Nakashima, Akira Yamakata, Takashi Tachikawa, Akinori Saeki, Hiroshi Kageyama, Ryu Abe
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Journal Title
Chemical Science
Volume: 13
Pages: 3118-3128
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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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] 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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[Presentation] Enhancement of visible-light photocatalytic activity of rutile TiO2 through nitrogen/fluorine codoping2021
Author(s)
Akinobu Miyoshi, Junie Jhon M. Vequizo, Shunta Nishioka, Yuma Kato, Muneaki Yamamoto, Shunsuke Yamashita, Toshiyuki Yokoi, Shunsuke Nozawa, Akira Yamakata, Tomoko Yoshida, Koji Kimoto, Kazuhiko Maeda
Organizer
Pacifichem 2021
Int'l Joint Research
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