Activation of photocatalytic performance controlling defects and band bending at interface

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K15314
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 兵頭 潤次 九州大学, 稲盛フロンティア研究センター, 特任助教 (70736149)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 光触媒 / 格子欠陥 / バンドエンジニアリング / 金属-担体相互作用

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、高性能光触媒開発の現状を打開できる触媒設計指針の提案し、光触媒-水界面におけるバンド構造の最適化に関する開発戦略を確立することを目的としている。欠陥濃度制御によりp型、n型半導体どちらにもなることができる鉄置換チタン酸ストロンチウム(STF)をモデル材料とし、格子酸素欠陥(フェルミ準位)および接合する金属種(仕事関数)を制御することで、光照射により生成した電子と正孔を効率的に反応溶液へ輸送できるバンドエンジニアリング手法を開発する。
最終年度は、白金を担持したｐ型およびn型STF触媒の合成し完全水分解における光触媒活性評価を行い、完全水分解反応における律速過程の特定を試みた。比表面積および白金担持量がほぼ同一であるp型およびn型STFを用いた完全水分解において、n型を用いた方がp型と比べて、約６倍の水素生成速度を示した。p型、n型いずれにおいてもH2/O2生成比はほぼ２であったことから、水分解反応を生じていた。本傾向は、犠牲試薬存在下における酸素生成速度の序列と一致したことから、完全水分解における律速過程は酸素生成速度であることが示唆された。
また、本研究で高活性になると提案したいp型-金属-n型接合を有する光触媒の合成を試みたが、接合の形成が確認できなかった。これは、n型のＳＴＦに担持された白金粒子はSTFにより被覆されてしまい、接合を形成できないためであることを、走査型透過電子顕微鏡および低エネルギーイオン散乱法を用いて明らかにした。p型-金属-n型接合の光触媒特性に対する効果を解明するには、金属表面の被覆形成を制御する必要がある。