2023 Fiscal Year Annual Research Report
Semiconductor Photocatalysts for Artificial Photosynthesis: Operando Characterization of Reaction Kinetics in Milliseconds
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22H00344
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大西 洋 神戸大学, 理学研究科, 教授 (20213803)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長坂 将成 分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 助教 (90455212)
小堀 康博 神戸大学, 分子フォトサイエンス研究センター, 教授 (00282038)
浦谷 浩輝 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (50897296)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 反応速度論 / オペランド計測 / 電子励起状態 / ペロブスカイト構造 / 多電子反応 / マイクロ電極 / 赤外吸収分光 / エックス線吸収分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水から電子を取り出す半導体光触媒が半世紀にわたる材料探索のなかでいくつも見いだされてきた。これらを改良して社会実装しようとする開発研究が世界中でおこなわれている。その一方で、光触媒のサイエンスを探究する基礎研究は古くから知られた光触媒材料に集中しており、ここに生じた材料ギャップ（material gap）を埋めようとする研究は少ない。本研究では、最近開発された世界最高レベルの量子収率で水を水素と酸素に完全分解する2つの半導体光触媒（チタン酸ストロンチウムとタンタル酸ナトリウム）がミリ秒の時間をかけて水を酸素と水素に分解するメカニズムを比較して、光触媒による人工光合成反応のサイエンスを探究する。
（1）マイクロ電極による高速酸素検出：タンタル酸ナトリウム光触媒による水分解反応によって水中に放出される溶存酸素を、直径20 μmの白金電極を光触媒ディスクに接近させて電気化学的に検出した。水素生成反応をアシストする助触媒を担持していない光触媒に励起光を照射すると、電極電流（すなわち電極近傍の酸素濃度）が減少した。光触媒中で励起した電子が溶存酸素を還元してスーパーオキシドアニオンラジカルを生成する反応が光触媒表面で進行し、溶存酸素濃度が低下したと解釈した。このラジカルは過酸化水素に転換し、最終的には酸素分子を再生するが、励起電子が水ではなく溶存酸素を還元することによる損失は避けられない。酸素生成反応に直接関与しない水素生成助触媒が、光触媒による酸素還元を抑制することを明らかにした。
（2）放射光を用いた軟エックス線吸収分光：UVSORにおいて、アナターゼ型酸化チタン光触媒の酸素K吸収端スペクトルを測定した。光触媒をバンドギャップ励起する水銀ランプの迷光が蛍光エックス線信号に混入しないよう注意して測定をおこない、酸素K吸収端スペクトルが励起光照射に対して有意に応答することを見い出した。
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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
前年度（2022年度）は予想外の実験結果に対応するため補助金の繰越が必要となった。本年度はマイクロ電極による高速酸素検出・ATRプリズムを用いた水中赤外吸収分光・放射光を用いた軟エックス線吸収分光が計画どおり進展したため、全体として計画にそって順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年次となる2024年度は全体計画にそって、タンタル酸ナトリウム光触媒とチタン酸ストロンチウム光触媒が水を酸素と水素に分解する物質変換の共通点と相違点を抽出する。半導体光触媒による人工光合成反応の基礎学理となる普遍的なコンセプトの提案をめざして研究を続ける。
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