2022 Fiscal Year Research-status Report
Creating Hot-Electron Photocatalyst Architectures with Optimal Mass Transport Properties using Plasmonic Mesoporous Metal Nanoparticles
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20K05453
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
HENZIE Joel 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主幹研究員 (80644517)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | メソポーラス金属 / プラズモニクス / プラズモン励起光触媒反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度にメソポーラス金属に関する研究が続けられ、2つの主要な結果が出ました：
結果1：メソポーラス金属ナノ粒子の光学的性質とその光触媒反応への影響について述べた我々の研究を成功裏に発表しました（Chem. Mat. 2022; 34, 16, 7256-7270）。元の提案に記載されているように、電子トモグラフィーを用いて、直径が120から230ナノメートル、孔径が16から23ナノメートルのメソポーラス金属ナノ粒子の3D構造を成功裏に画像化しました。我々は3Dデータを電磁（EM）シミュレータに成功裏に入力し、その光学的性質をモデル化しました。これは、トモグラフィーとシミュレーションで研究された最大かつ最も複雑な多孔質貴金属構造の一つです。我々はこれらの材料を用いて、有機光化学反応がメソポーラス金属中の強いEM場とプラズモンによって生成されたホットキャリアによってどのように強化されるかを説明しました。
結果2：アルコキシアミンの光化学的ホモリシスを駆動できるような多孔質の金ナノ粒子のように振る舞うナノ構造化金ナノ粒子のアンサンブルを研究している有機化学グループとの共同研究を開始しました。我々は、プラズモンに関連するホットキャリアや熱反応がこれらの反応を駆動するかどうかを調査しました。驚いたことに、反応は主に強いEM場と関連した分子間励起によって駆動されていることを発見しました（ACS Catalysis 2023; 13, 2822-2833）。
この助成金に帰属する2022年度の追加の出版物：（3）ACS Sustainable Chem. Eng. 2023; 11, 168-176、（4）J. Mat. Chem. A 2023; Advance Article
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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
理由
我々は引き続き良好な進展を遂げ、元の提案で概説した目標のほとんどを達成しています。有機分子は経済的価値が高いため、エネルギー関連製品（例えばH2、CH4など）ではなく、有機化学変換（例えばアルコキシアミンなど）に焦点を当てることにしました。これは、この分野の国際的なトレンドが最近変化し、ほとんどの研究者が、商品化学品ではなく高価値の合成ターゲットに対して、プラズモン駆動の光化学（および一般的な光化学）が最も経済的に実現可能であると考えているためです（Energy Fuels, 2022; 36, 4625-4639）。
また、我々はカスタム有機分子の使用と強い分子間励起がプラズモン光反応をどのように駆動できるかを研究するというトレンドにも対応しています（Science 2018; 360, 521-526）。我々はアルコキシアミン系を研究し、選択した化学反応において、金属中の分子間励起がホットキャリア光励起よりも優勢であると結論付けました。我々は依然としてホットキャリアがプラズモン駆動の光化学において重要であると考えていますが、この分野の他の人々と同様に、我々は分子内励起を無視することはできず、そのメカニズムは我々が以前に認識していたよりもはるかに複雑であると認識しなければなりません。我々は、この研究がプラズモニック化学者たちに、強いEM場がこれらの反応を駆動することを完全に考慮し、プラズモン共鳴を利用できる新たな化学反応を設計することを刺激すると考えています。
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| Strategy for Future Research Activity |
メソポーラス金属ナノ粒子の光触媒特性を研究する際に最も予想外だった課題は、それらが我々の基板から脱吸着するという事実でした。これは最初に多くの混乱した結果を引き起こしました。なぜなら、反応の間に触媒の大部分が失われたからです。2022年度には、我々は、透明なガラス基板の表面に直接メソポーラス金ナノ粒子と膜を合成する方法を開発しました。これは全く新しい技術であり、膜、ナノ粒子、そして膜とナノ粒子から成るハイブリッド構造を含む数多くの異なる形態を生成する能力があり、我々はこれらを詳細に研究することができます。多孔質金属が基板上にあるため、光触媒の研究にとってより安定したシステムを生成します。我々はこのセットアップを使用して、2023年度に有機分子の光触媒分解をさらに調査する予定です。また、我々はメソポーラス金属を金属有機フレームワークで機能化し、SERSを用いて塩素化芳香族炭化水素（CAHs）という一般的な汚染物質の存在を感知しています。我々は、これらの表面を最終的にプラズモン駆動反応を使用してこれらのCAHsを光分解するために使用することを期待しています。
また、我々はトモグラフィーに基づく方法の開発を続けています。大きな金構造体に対する電子トモグラフィーは、金が電子を強く吸収するため、非常に困難です。この問題を解決するために多くの新しいツールを開発しなければなりませんでした。最近では、これらの方法を他種のメソポーラス金属の3D構造の研究に拡大し始め、この作業の一部が長期的な波及効果を生み出すと考えています。
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