Establishment of guideline for selection of water oxidation cocatalyst modification on semiconductor photocatalyst

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K20490
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0401:Materials engineering, chemical engineering, and related fields
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology (2023); National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2022)
• Principal Investigator: Okazaki Megumi 東京工業大学, 理学院, 助教 (50967247)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: 酸化ニッケルナノ粒子 / 水の光酸化反応 / 電子の化学ポテンシャル / ルテニウム錯体 / pH緩衝剤 / 擬過電圧

Outline of Final Research Achievements

In this work, water oxidation ability over nickel oxide nanoparticles (NiOx) loaded onto TiO2 was investigated by the photochemical water oxidation system ‘without semiconductor excitation’ with ruthenium photosensitizer. It was revealed that water oxidation ability of NiOx depends on the pH buffer. From the pH thresholds that catalytically proceeding of water oxidation, chemical potential of electrons (called ‘reaction potential’) in NiOx was calculated. The potential gap between calculated reaction potential and water oxidation potential regarding as pseudo-overpotential for water oxidation was estimated as 0.51-0.52 V in phosphate buffer and 0.35-0.38 V in borate buffer, respectively.

Free Research Field

光化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電気化学的な水の酸化触媒としてNiOxを用いた場合、電解質によって活性が大きく変化することが知られていた。その一方、不均一系触媒としてNiOxを用いた場合の、水の酸化反応に対する擬過電圧の定量的な差を可視化した例は本研究が初めてである。したがって本研究では、水溶液中に懸濁しているナノ粒子に対し、電極触媒で立証されている現象を初めて観測できた。不均一系触媒において、非電気化学的な「反応ポテンシャル」の観点から水の酸化触媒能を定量的に論じることが可能となったことから、触媒の材料探索だけではなく、触媒周辺の外圏的要因も考慮した反応系構築の実現が期待される。