2020 Fiscal Year Annual Research Report

光触媒の欠陥状態と光触媒反応機構を解明する新規光音響解析法の開発

Research Project

Project/Area Number	20J23117
Research Institution	Kyushu Institute of Technology
Principal Investigator	篠田樹九州工業大学, 生命体工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2023-03-31
Keywords	光触媒 / 赤外光音響分光 / 欠陥準位 / トラップ電子 / 酸化チタン
Outline of Annual Research Achievements	今年度はまず，プローブ光源としてフーリエ変換赤外分光光度計を用いた赤外光音響分光法（FTIR-PAS）を用いて，気相中におけるエネルギー変換型光触媒（RhドープSrTiO3，SnNb2O6など）の欠陥準位の解析を行った．これにより，エネルギー変換型光触媒粒子中に形成された不純物準位が電子トラップサイトとして機能し，光触媒活性の支配因子であることを見出した．また，FTIR-PASが「光触媒粒子における欠陥準位の解析法」として有効であることを明らかにした．RhドープSrTiO3に関する実験結果は学術論文誌に投稿し，Chemical　Communications誌に掲載された．次に，液相中で測定可能な装置を開発するために，新たにグレーティング分光器を用いた赤外光音響分光（GIR-PAS）測定系の立ち上げを行った．測定用セルの設計・開発，分光システムの構築およびプログラムミングによる制御を行った．この装置を，FTIR-PASによって既に多くの結果が得られているTiO2光触媒粒子に適用し，測定結果をFTIR-PASのそれと比較することで，開発したGIR-PASの妥当性を明らかにした．GIR-PASではFTIR-PASに比べて測定波長（エネルギー）範囲は劣るが，単一波長において高いSN比が得られており，定常光照射下で光触媒粒子中の電子のトラップ・蓄積過程の経時変化測定が可能になった．この手法により，トラップ電子由来の光音響信号をリアルタイムで追跡することで，TiO2光触媒粒子中のトラップ電子の蓄積過程を明らかにした．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason FTIR-PAS測定により，気相中におけるエネルギー変換型光触媒の欠陥準位の解析を達成できたとともに，欠陥準位の解析法としてのFTIR-PASの有用性を明らかにすることができた．また，グレーティング分光器を用いたGIR-PAS測定系を構築することができた．これを用いてFTIR-PASで既に多くの結果が得られているTiO2光触媒粒子の評価を行い，測定手法の妥当性を示すことができた．さらに，定常光照射下における光触媒粒子中の電子のトラップ・蓄積過程を明らかにすることができた．以上の理由により，現在までの進捗状況はおおむね順調に進展していると考えた．
Strategy for Future Research Activity	今後も引き続き，FTIR-PASをエネルギー変換型光触媒粒子に適用し，光触媒粒子中の光励起キャリアのトラップ状態，ドーピングの効果，助触媒担持による電子挙動の変化を明らかにする．また，GIR-PASにより得られた知見を活かし，中赤外～可視領域における光触媒粒子中のトラップ電子由来の吸収をリアルタイムで追跡可能な分光システムの構築を行う．さらに，GIR-PASを用いて，気相中で既に多くの結果が得られているTiO2について液相中での測定を行い，気相中と液相中でのGIR-PAS測定結果を比較し，液相中におけるTiO2粒子中の欠陥準位の評価を行う．これと並行して，実験方法の最適化や装置の改良を行う．得られた成果は学会発表や学術論文誌への投稿などにより外部発信していく予定である．