インタ-カレ-ト型層状半導体の光触媒機能

1990 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 02203221
• 研究機関: 長岡技術科学大学
• 研究代表者: 井上 泰宣 長岡技術科学大学, 分析計測センター, 助教授 (30016133)
• 研究分担者: 野坂 芳雄 長岡技術科学大学, 工学部, 助教授 (30134969)
• キーワード: 水の光分解反応 / トンネル構造酸化物 / ヨウ化物超微粒子

研究概要

半導体による人工光合成型エネルギ-の高効率変換において、光励起電子と正孔の有効分離および反応にあずかる活性点の高濃度化を達成する必要がある。本研究では、トンネル構造の酸化物M_2Ti_nO_<2+1>(M=アルカリ金属)に触媒活性体をインタ-カレ-トする方法を検討すると共に、超微粒子ヨウ化物の電荷移動について調べた。酸化物に種々の触媒活性体(Ru,Ir,Mn,PtあるいはRh)を湯浴加熱法に加え、新しい方法としてマイクロ波加熱法を用いてインタ-カレ-トさせ、還元処理あるいは酸化処理を施して光触媒とした。通常の湯浴加熱法に比べマイクロ波加熱では、著しく高い濃度で触媒活性体がインタ-カレ-トされることを見出した。水の光分解反応において、酸化処理によって活性が発現するRuおよびIrでは、水素および酸素がほぼ化学量論比で生成する高い活性を示した。X線光電子分光スペクトルの解析から、活性な光触媒のRu 3d_<5/2>準位は酸化物RuO_2の値とほぼ一致し、Ru(IV)種が活性種となることを明らかにした。アルカリ金属イオンの種類を変えた場合に、光触媒活性は、Liでは例外的に低いが、Rb→K→Naの順に増加した。この触媒活性序列が、M_2Ti_nO_<2n+1>結晶の単位胞の格子定数の変化とよく対応することを見出し、M=Naにおける高活性を、インタ-カレ-トされるRuとトンネル空間との適合性に基づい説明した。本研究で最も高い活性を示したRuO_2/Na_2Ti_6O_<13>光触媒系において、波長330nmでの量子収率として3.9%の値が達成できた。層状半導体超微粒子として、PbI_2,BiI_2の3種類の化合物を選び、その形成過程をストップフロ-分光法で調べ、ビオロゲインへの光誘起電荷分離効率をレ-ザ-フラッシュフォトリシスにより測定した。電荷移動の過程はμsより早く、吸着状態への電荷移動であること、および吸収光子密度がきわめて小さい場合にのみ、電荷分離効率が大きくなることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Yasunobu.Inoue,Toyoyuki.Kubokawa,Kazunori.Sato: "Photocatalytic Activty of Sodium Hexatitanate,Na_2Ti_6O_<13>,with A Tunnel Structure for Decomposition of Water." J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,. 19. 1299-1300 (1990)
• [文献書誌] Yasunobu.Inoue,Toyoyuki.Kubokawa,Kazunori.Sato: "Photocatalytic Activity of Alkali Metal Titanates Combined with Ru for Decomposition of Water" J.Phy.Chem.,.
• [文献書誌] Y.Nosaka,N.Ohta,H.Miyama: "Photochemical Kinetics of Ultrasmall Semiconductor Particles in Solution:Effect of Size on the Quantum Yield of Electron Transfer" J.Phys.Chem.,. 94. 3752-3755 (1990)
• [文献書誌] M.Aizawa,Y.Nakagawa,Y.Nosaka,N.Fujii,H.Miyama: "Preparation of Hollow TiO_2 Fiber" J.NonーCrystalline Solid. 124. 112-115 (1990)
• [文献書誌] Y.Nosaka: "Finite Depth Spherical Well Model for Excited Statcs of clltrasmall Semiconducton Particles.An AMlication" J.Phys.Chem.95. (1991)
• [文献書誌] 野坂 芳雄,分担執筆: "産業を支える化学(第4章,エネルギ-を支える化学)" 内田老鶴圃, 45-61 (1990)