可視光で駆動する水分解用ヘテロ構造Ｃｕ２Ｏ／Ａｕ／ＷＯ３光触媒の創製

• Project/Area Number: 18F18031
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 外国
• Research Field: Nanomaterials chemistry
• Research Institution: Kyoto University
• Host Researcher: 寺西 利治 京都大学, 化学研究所, 教授 (50262598)
• Foreign Research Fellow: LIU MING-HAN 京都大学, 化学研究所, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2018-10-12 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2020: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000); Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2018: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: ナノ材料 / 金属酸化物 / ヘテロ構造 / 水分解 / 光触媒

Outline of Annual Research Achievements

近年、ナローバンドギャップをもつ光触媒が開発されており、ドープ金属酸化物（TiO2:Rh、約600nmに吸収端）、ペロブスカイト型ドープ金属酸化物（SrTiO3:Rh（0.5％）、約500nmに吸収端）、固溶体光触媒（GaN:ZnO、約550nmに吸収端）などがある。これらの光触媒の欠点は、（1）可視光の一部しか吸収しないこと、（2）ドーパントが光触媒中で電子－正孔再結合中心となり、エネルギー変換効率が低下すること、（3）ペロブスカイト金属酸化物および固溶体光触媒の合成に多くのエネルギーを消費することである。本研究では、光触媒としてCu2OおよびWO3半導体を用い、助触媒ナノ粒子および電子移動媒体を組み込んだ可視光応答Zスキーム光触媒システムを構築することを目的とする。
本年度は、Cu2Oナノ粒子を既報（Science 2016, 351, 1306; Zhang et al., J. Mater. Chem. 2009, 19, 5220.）に従い合成し、還元剤の量を増加させて立方体から菱面十二面体構造へと形状を変化させた。特に、{111}面と{100}面が露出した切頂八面体、および、{110}面が露出した露出した菱面十二面体Cu2Oナノ粒子の選択合成について検討した。ドデシル硫酸ナトリウム（SDS）を保護剤に用いると、粒径はやや大きいものの（250~500 nm）、立方体、切頂八面体、菱面十二面体Cu2Oナノ粒子が選択的に生成した。一方、ポリビニルピロリドン（PVP）を保護剤に用いると、結晶面がきれいに露出した立方体、切頂八面体、正八面体Cu2Oナノ粒子が得られた。しかし、粒径が1 μm前後で光を強く散乱する傾向があり、粒子の微細化が必要である。また、Cu2Oナノ粒子に金属相が光電着されることも分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画に従い、露出結晶面の異なる立方体、切頂八面体、正八面体、菱面十二面体Cu2Oナノ粒子の選択合成に成功した。また、Cu2Oナノ粒子に金属相が光電着されることも明らかとなった。

Strategy for Future Research Activity

今後は、可視光水素生成光触媒としてのCu2Oナノ粒子の触媒特性を評価するため、Cu2Oナノ粒子の微細化、ならびに、水素生成触媒能のサイズ依存性を検討する。次に、酸素生成光触媒となるWO3ナノ粒子の酸素生成触媒能を明らかにした後、両光触媒を電子メディエーターを介して接合させ、Zスキームによる水完全分解を試みる。

Research Products

• [Remarks] Teranishi Laboratory
  • URL: https://www.scl.kyoto-u.ac.jp/~teranisi/