2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a novel organic photocatalyst that combines in-plane heterojunction and doping method
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22K14714
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
立石 一希 三重大学, 国際環境教育研究センター, 助教 (20828785)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光触媒 / 共有結合有機構造体 / 窒化炭素 / 水素生成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光触媒による水素生成は太陽光をエネルギー源として水を分解することによって、温室効果ガスを排出せずに水素を生成することが出来るため、太陽光下で高活性がある光触媒の開発が必要とされている。しかし、小さい比表面積・低い吸光特性・光生成電子正孔対の再結合率の高さが光触媒活性を制限している。これらを解決するために、光触媒中に異種元素をドープすることでバンド構造を操作し、吸収できる波長を拡大する手法、そして適切な電子構造を有する異なる光触媒を接合し、その接合面を通して光励起電子―正孔対の分離の促進させるヘテロ接合という手法を分子内平面上で同時に施すことにより、光触媒による水素生成活性を向上させることに成功した。
本年度は、最適化された方法で調製された、共有結合有機構造体（COF）と他元素のドープ処理をした窒化炭素とのヘテロ接合で構築された光触媒の光触媒活性と光触媒活性向上因子を特定するための特性評価を行った。光触媒活性について、COFと他元素のドープ処理をした窒化炭素とのヘテロ接合で構築された光触媒は、COFとドープ処理をした窒化炭素の物理混合物、ドープ処理を行っていない窒化炭素を用いたヘテロ接合光触媒よりも高い性能を有していた。特性評価の結果より、ドーピング法による電気抵抗の減少とヘテロ接合による電気抵抗の減少効果が共存することが明らかになった。また、過渡光電流応答に関してもドーピング法とヘテロ接合の向上効果が共存することが明らかになった。調製された光触媒の比表面積は大きく変わらず、吸収波長はCOFの広い吸収波長を維持していたため、これらの結果より、光生成電子正孔対の再結合率が減少したことが光触媒活性向上要因であると結論付けた。以上のことから、窒化炭素とCOFを用いて、分子内ドープとヘテロ接合の二重の修飾することにより光触媒活性を大幅に向上させる方法を確立することができた。
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