Hydrogen-Evolving CNT-Photocatalysts for Effective Use of Solar Energy

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05266
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28030:Nanomaterials-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: TAJIMA Tomoyuki 岡山大学, 環境生命科学学域, 講師 (90467275)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 単層カーボンナノチューブ / 光電変換 / ヘテロ接合 / 光触媒 / 光水素生成反応 / ホットエレクトロン

Outline of Final Research Achievements

Single-walled carbon nanotube (SWCNT)/TiO2 hybrids were synthesized using 1,10-bis(decyloxy)decane-core PAMAM dendrimer as a molecular glue. Upon photoirradiation of a water dispersion of SWCNT/TiO2 hybrids with visible light (> 422 nm), the hydrogen evolution reaction proceeded at a rate of 0.95 mmol/h in the presence of a sacrificial agent (1-benzyl-1,4-dihydronicotinamide, BNAH). External quantum yields (EQYs) of the hydrogen production reaction photosensitized by (6,5), (7,5), and (8,3) tubes were estimated to be 5.5%, 3.6%, and 2.2%, respectively, using monochromatic lights corresponding to their E22 absorptions (570 nm, 650 nm, and 680 nm). This order of EQYs (i.e., (6,5) > (7,5) > (8,3)SWCNTs) exhibited the dependence on the C2 energy level of SWCNT for EQY and proved the hot electron extraction pathway.

Free Research Field

有機光化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

s-SWCNTsの光吸収を利用した光電変換素子のうち、薄膜太陽電池は、性能が著しく向上し、新しい知見が報告されている。同軸ワイヤー状のヘテロ接合界面は、薄膜太陽電池でしばしば問題となる隣接するs-SWCNT間の励起子移動を考慮する必要がないことや、複数のヘリシティーが混在しても活性への影響が小さいなどの利点が多い。本研究成果はSWCNTを中心とした光触媒分野だけでなく、光デバイスの根本的な性能向上となり得るSWCNTの光物性に関する基礎科学的で重要な知見が得られたものと考えられ、今後、光触媒や太陽電池など様々な光機能デバイスの応用に関して多岐にわたる分野でのブレイクスルーが期待される。