2020 Fiscal Year Annual Research Report
革新的設計指針に基づくプラズモニック光触媒の高効率化
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20H02706
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
西 弘泰 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (70714137)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | プラズモン共鳴 / プラズモン誘起電荷分離 / 光触媒 / 金属ナノ粒子 / 光ナノ加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高次のプラズモン共鳴モード（多重極子振動モード）やバンド間遷移の利用、半導体フリーの光触媒系の構築などの、これまでにない革新的な設計指針でプラズモニック光触媒を高効率化することを目的としている。2020年度は、銀ナノキューブを担持した酸化チタン電極の光電流作用スペクトルが、ナノキューブのサイズの増大に伴って吸収スペクトルと一致しなくなる特異な傾向を示すがことが明らかになった。電磁場計算によって詳細に解析を行ったところ、高次のプラズモン共鳴モードが関わるモード間の相互作用によって、吸光係数が小さいにも関わらず、高い内部量子収率でプラズモン誘起電荷分離が駆動されていることが示唆された。金ナノキューブでも同様の機構でプラズモン誘起電荷分離が駆動されることが示唆されており、高次のプラズモン共鳴モードを用いたプラズモン誘起電荷分離系を確立できつつある。また、プラズモン誘起電荷分離を利用することで、透明電極上に担持した金ナノ粒子上に、場所選択的に白金を還元析出させ、ヘテロナノ構造体を作製することに成功した。この「還元析出型光ナノ加工」によって、半導体フリーの光触媒系の構築が期待できる。
一方、金ナノ粒子上で駆動される酸化反応の反応機構に関する研究も行った。種々の酸化析出反応によって金ナノ粒子上の反応サイトを可視化したところ、酸化鉛のような場所選択的な析出が起こらず、粒子表面全体に析出する場合があることが明らかになった。この析出様式の違いは、共鳴サイトで生じた正孔によって直接酸化反応が駆動される「正孔放出機構」と、粒子中に蓄積した正電荷によって酸化反応が駆動される「電荷蓄積機構」の違いに起因すると考えられる。その他にも、可視領域でプラズモン共鳴を示す化合物ナノ粒子を用いたプラズモン誘起電荷分離に関する研究にも着手した。
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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
本研究の目的である、高次のプラズモン共鳴モード（多重極子振動モード）に基づく高効率なプラズモン誘起電荷分離を実現する上で非常に重要な研究成果が得られた。また、プラズモン誘起電荷分離に基づく光ナノ加工により、金ナノ粒子上に場所選択的に白金を析出させることに成功し、白金以外の金属もプラズモニックナノ粒子上に場所選択的に析出させられることが示唆された。これにより、半導体フリーの光触媒系の実現可能性が見出された。さらに、プラズモン誘起電荷分離の酸化反応機構に関する重要な知見も得られた。以上の点から、本研究はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、昨年度に開発したプラズモン誘起電荷分離に基づく還元析出型光ナノ加工により、半導体フリーの金-白金ヘテロナノ粒子や、金-パラジウムヘテロナノ粒子などを電極上に作製し、その光学特性や光触媒特性、電極触媒特性を評価する。また、既に確立している酸化鉛を金ナノ粒子上に場所選択的に析出させる技術と、ガルバニック置換反応を組み合わせることで、プラズモニックナノ粒子と金属酸化物、あるいは異種金属同士がヘテロに接合したナノ構造体を作製する手法を確立し、得られたナノ構造体のプラズモン誘起電荷分離特性を評価する。高次のプラズモン共鳴モード（多重極子振動モード）を利用したプラズモン誘起電荷分離に関する研究では、昨年度に高い効率で電荷分離を駆動できることが示唆された金属ナノキューブの高次モード、あるいはモード間の相互作用の詳細な帰属を行う。ナノキューブ以外の利用も検討し、高次モードに基づくプラズモン誘起電荷分離を効率的に光触媒反応や光電変換に利用できる系の構築を目指す。
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