2021 Fiscal Year Annual Research Report
光電極/水溶液界面で起こる水分解反応の精密電気化学測定
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19K15670
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
東 智弘 宮崎大学, キャリアマネジメント推進機構, 助教 (80762088)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光電極 / 光触媒 / 光電気化学 / 水分解 / 電気分析化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽光エネルギーを利用して水を分解し、水素を生成する手法の一つとして半導体光電極による光電気化学水分解反応の検討が進められている。本研究では可視光応答型の半導体光電極の開発と光電極/水溶液の固液界面の設計を通して、高い効率で水を水素または酸素へ分解して生成できる物質変換系の創出を狙った。特に、光電極表面に構築する助触媒の電気化学特性と光学特性および支持電解質水溶液の組成が水分解の効率に与える影響を精密電気化学測定によって精査した。本研究では、精密電気化学測定によって水分解反応での電子移動過程と機構を明らかにし、分光電気化学的手法と表面分析手法を組み合せ、助触媒/水溶液界面での水分子や電解質イオンの吸着挙動を明らかにすることを目的とする。本研究により、助触媒/水溶液の固液界面での実構造を深く理解できるようになり、得られた固液界面の設計戦略に基づいた光電極材料・助触媒材料の開発に貢献できると考える。
可視光応答型の光電極として、吸収端波長が600 nmの窒化タンタル（Ta3N5)光電極について着目し、この薄膜型光電極と表面への助触媒修飾について検討した。Ta3N5光電極を両面研磨の石英絶縁基板上に直接成膜し、このときの光吸収特性や電気化学制御下における水分解反応の挙動を電気分析化学手法を用いて精査した。このTa3N5薄膜は自身の導電性を利用して、電荷捕集層との接合無しに光電極として機能して水を分解できることがわかった。支持電解質水溶液の組成（濃度やpH)の依存性を評価したところ、酸素生成反応においては強アルカリ性の水溶液中でもっとも高い活性を示した。助触媒の電気化学特性と光電極の水分解特性を比較したところ、助触媒が高い活性を示す条件下においてTa3N5光電極も高い活性を示したことから、助触媒構造の設計を通して固液界面構造の最適化が求められることを示した。
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