2015 Fiscal Year Annual Research Report
プラズモニック光捕集アンテナ界面による反応増強
Publicly Offered Research
| Project Area | Chemical conversion of solar energy by artificial photosynthesis: a breakthrough by fusion of related fields toward realization of practical processes |
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| Project/Area Number |
15H00863
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
西 弘泰 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (70714137)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 局在プラズモン共鳴 / プラズモン誘起電荷分離 / プラズモン増強 / 光触媒 / 金属ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、金属ナノ粒子の局在プラズモン共鳴を利用することで、局在振動電場を生じるプラズモニックアンテナ界面を作り、それらを人工光合成系に適用することを目的としている。平成27年度は、金ナノ粒子と酸化チタンを組み合わせた系におけるプラズモン誘起電荷分離について、金の錯化溶解反応と、表面不動態化反応を利用した酸化力の評価を行った。その結果、プラズモン誘起電荷分離の酸化力が、酸化チタンのフラットバンド電位と照射光のエネルギーに依存することを見出した。これにより、プラズモン誘起電荷分離における酸化力が、電解液のpHや照射光の波長によって制御でき、本系が色素や半導体を用いた増感系とは異なる特徴を示すことがわかった。また、新たな光捕集系を構築する目的で、金のハーフシェルアレイ構造を作製し、そのプラズモン誘起電荷分離特性を評価した。ハーフシェルアレイが光吸収層と対極の役割を兼ねていることから、構造を最適化することによって、プラズモン誘起電荷分離における酸化電位を直接測定することが可能になると考えられる。さらに、銀ナノキューブのプラズモン誘起電荷分離に伴う溶解挙動を追跡することで、プラズモン誘起電荷分離が局在電場の強い部分で優先的に起こることを確認できた。その他にも、金-銀合金ナノ粒子のプラズモン誘起電荷分離を利用した脱合金化によって、ナノポーラス構造を有するナノ粒子を作製することに成功した。この光誘起脱合金化過程は、プラズモン誘起電荷分離の酸化力評価や、ナノポーラス粒子の大きい反応表面積を利用した光触媒反応に利用できると考えられる。プラズモン増強の系についても、銀ナノキューブによる全固体型量子ドット太陽電池の光電変換効率の向上に成功しており、異方的な形状の金属ナノ粒子が光アンテナとして有用であることを示した。
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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
半導体量子ドットや、それを増感剤としてワイドギャップ半導体を組み合わせた水素発生系のプラズモン増強については計画よりもやや遅れているが、銀ナノキューブなどの異方的な形状のナノ粒子が、プラズモン増強に適していることを太陽電池の光電流増強から明らかにしており、今後の研究についての明確な指針が得られている。一方で、プラズモン誘起電荷分離を利用した系については、本年度に酸化力や反応機構に関する多くの知見が得られており、順調に進展している。また、計画外ではあるが、金-銀合金ナノ粒子のプラズモン誘起電荷分離を利用したナノポーラス構造体の作製やその応用などの新たな研究展開も可能となった。以上の点から、総合的に見て、本研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度に明らかになった、プラズモン誘起電荷分離の酸化力に関する知見から、水からの水素発生あるいは酸素発生に最適な条件を設定し、実際に実験を行う。また、金-銀合金ナノ粒子の光誘起脱合金化ついて、pHおよび照射波長依存性を調べ、本年度に得られた酸化力に関する知見を補強する。さらに、脱合金化により得られたナノポーラスナノ粒子を水からの水素発生あるいは酸素発生をはじめとした光触媒反応に応用する。それ以外にも、金属酸化物の析出を利用した、反応サイトの可視化にも着手する。
半導体量子ドットや、それを増感剤としてワイドギャップ半導体を組み合わせた水素発生系については、実際に硫化カドミウム（CdS）、硫化銅インジウム（CIS）、銅亜鉛スズ硫化物（CZTS）などからの水素発生系に対して、プラズモン効果による反応増強を試みる。これらの実験は、領域内の共同研究により遂行する。
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