表面欠陥の構造とエネルギーを制御した可視光応答型光触媒の高性能化

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04188
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 山方 啓 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60321915)
• 研究分担者: 酒多 喜久 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (40211263)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 光触媒 / 水分解 / 欠陥準位 / キャリアダイナミクス / 再結合 / 電荷移動 / トラップ

研究実績の概要

近年、太陽光を用いて水から水素を製造できる光触媒が注目されている。しかし、実用的に用いるためには活性を飛躍的に向上させる必要がある。このような状況の中で、研究分担者の酒多喜久教授は、Ga2O3にCaやZnを共ドープすると、水分解の量子効率が70％を超えることを発見した。本研究では、時間分解可視近赤外中赤外分光法を用いて、このメカニズムを明らかにした。
2018年度は、2017年度に引き続き、Ga2O3から水素発生助触媒として担持したRhナノ粒子への電子移動過程を明らかにした。Rhナノ粒子にCO分子を吸着させ、赤外吸収スペクトルを測定すると、2100 cm-1付近にいくつかの吸収ピークが観察された。そして、そのうちの１本は、紫外光を照射してGa2O3のバンドギャップを励起すると、低波数側にシフトした。この低波数シフトは、Rh微粒子のフェルミ準位上昇に伴うCO分子への逆電子供与が原因である。この低波数シフトは、ドーピングの有無に関わらず観測されたが、その変化量はドーピングに依存し、電子の寿命が長い触媒ほどより低波数側にシフトすることが分かった。つまり、担体の中に長寿命の電子が存在すればするほど、より多くの電子がGa2O3からRhに移動し、その結果、Rhのフェルミ準位が押し上げられることを意味している。実際に、Ga2O3からRh微粒子への電子移動速度はドーピングの有無に寄らないが、気相に導入した水分子への電子移動はドーピングによって速くなった。これは、ドーピングによって電子の寿命が長くなると、Rhへ移動できる電子の数が増加し、Rhのフェルミ準位がより高い位置に押し上げられるので水の還元活性が上がったためであると説明できる。
また、ファインセラミックスセンターと共同研究を行い、理論計算を依頼した結果、Ga2O3にCaやZnをドープすると浅い欠陥準位が形成されることがわかった。これらの結果は我々の実験結果と良く一致している。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] POSTECH(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: POSTECH
• [国際共同研究] Mindanao State University(フィリピン)
  • 国名: フィリピン
  • 外国機関名: Mindanao State University
• [国際共同研究] 台湾・中興大学(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 台湾・中興大学
• [雑誌論文] Effect of CuFe2O4 ferrite on photocatalysis and carrier dynamics of electrospun α-Fe2O3 nanofibers by time-resolved transient absorption spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Hung Pei-Hsuan、Vequizo Junie Jhon M.、Wu Ren-An、Yamakata Akira、Tseng Wenjea J.
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.05.080
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improvement of photocatalytic activity under visible-light irradiation by heterojunction of Cu ion loaded WO3 and Cu ion loaded N-TiO2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Iihoshi Tomoya、Ohwaki Takeshi、Vequizo Junie Jhon M.、Yamakata Akira
  • 雑誌名: Applied Catalysis B: Environmental 巻: 248 ページ: 249～254
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.01.046
  • 査読あり
• [雑誌論文] Clear and transparent nanocrystals for infrared-responsive carrier transfer (2019)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto Masanori、Kawawaki Tokuhisa、Kimura Masato、Yoshinaga Taizo、Vequizo Junie Jhon M.、Matsunaga Hironori、Ranasinghe Chandana Sampath Kumara、Yamakata Akira、Matsuzaki Hiroyuki、Furube Akihiro、Teranishi Toshiharu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 406
  • DOI: 10.1038/s41467-018-08226-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sodium titanium oxide bronze nanoparticles synthesized via concurrent reduction and Na+-doping into TiO2(B) (2019)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa George、Tanaka Moeko、Vequizo Junie Jhon M.、Yamakata Akira、Hojo Hajime、Kobayashi Makoto、Kakihana Masato、Inada Miki、Akamatsu Hirofumi、Hayashi Katsuro
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 11 ページ: 1442～1450
  • DOI: 10.1039/C8NR08372J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Curious behaviors of photogenerated electrons and holes at the defects on anatase, rutile, and brookite TiO2 powders: A review (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamakata Akira、Vequizo Junie Jhon M.
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 巻: － ページ: －
  • DOI: 10.1016/j.jphotochemrev.2018.12.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasmonic p-n Junction for Infrared Light to Chemical Energy Conversion (2018)
  • 著者名/発表者名: Lian Zichao、Sakamoto Masanori、Vequizo Junie J. M.、Ranasinghe C. S. Kumara、Yamakata Akira、Nagai Takuro、Kimoto Koji、Kobayashi Yoichi、Tamai Naoto、Teranishi Toshiharu
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 141 ページ: 2446～2450
  • DOI: 10.1021/jacs.8b11544
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhanced photocatalytic NO decomposition of visible-light responsive F-TiO2/(N,C)-TiO2 by charge transfer between F-TiO2 and (N,C)-TiO2 through their doping levels (2018)
  • 著者名/発表者名: Komatsuda Shio、Asakura Yusuke、Vequizo Junie Jhon M.、Yamakata Akira、Yin Shu
  • 雑誌名: Applied Catalysis B: Environmental 巻: 238 ページ: 358～364
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2018.07.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expansion of the photoresponse window of a BiVO4 photocatalyst by doping with chromium(vi) (2018)
  • 著者名/発表者名: Okuno Kazuya、Kato Hideki、Vequizo Junie Jhon M.、Yamakata Akira、Kobayashi Hisayoshi、Kobayashi Makoto、Kakihana Masato
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 8 ページ: 38140～38145
  • DOI: 10.1039/C8RA07830K
  • 査読あり
• [雑誌論文] Copolymerization Approach to Improving Ru(II)-Complex/C3N4 Hybrid Photocatalysts for Visible-Light CO2 Reduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsounis Constantine、Kuriki Ryo、Shibata Kengo、Vequizo Junie Jhon M.、Lu Daling、Yamakata Akira、Ishitani Osamu、Amal Rose、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: ACS Sustainable Chemistry & Engineering 巻: 6 ページ: 15333～15340
  • DOI: 10.1021/acssuschemeng.8b03782
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of Interfacial Electron Transfer in Metal Complex-Semiconductor Hybrid Photocatalysts on Z-Scheme CO2 Reduction under Visible Light (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakada Akinobu、Kuriki Ryo、Sekizawa Keita、Nishioka Shunta、Vequizo Junie Jhon M.、Uchiyama Tomoki、Kawakami Nozomi、Lu Daling、Yamakata Akira、Uchimoto Yoshiharu、Ishitani Osamu、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 ページ: 9744～9754
  • DOI: 10.1021/acscatal.8b03062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Binary flux-promoted formation of trigonal ZnIn2S4 layered crystals using ZnS-containing industrial waste and their photocatalytic performance for H2 production (2018)
  • 著者名/発表者名: Hojamberdiev Mirabbos、Cai Yanfei、Vequizo Junie Jhon M.、Khan Mohammad Mansoob、Vargas Ronald、Yubuta Kunio、Yamakata Akira、Teshima Katsuya、Hasegawa Masashi
  • 雑誌名: Green Chemistry 巻: 20 ページ: 3845～3856
  • DOI: 10.1039/C8GC01746H
  • 査読あり
• [雑誌論文] Excited-State Dynamics of Graphitic Carbon Nitride Photocatalyst and Ultrafast Electron Injection to a Ru(II) Mononuclear Complex for Carbon Dioxide Reduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuriki Ryo、Ranasinghe Chandana Sampath Kumara、Yamazaki Yasuomi、Yamakata Akira、Ishitani Osamu、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 122 ページ: 16795～16802
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b03996
  • 査読あり
• [雑誌論文] Homogeneous Electron Doping into Nonstoichiometric Strontium Titanate Improves Its Photocatalytic Activity for Hydrogen and Oxygen Evolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishioka Shunta、Hyodo Junji、Vequizo Junie Jhon M.、Yamashita Shunsuke、Kumagai Hiromu、Kimoto Koji、Yamakata Akira、Yamazaki Yoshihiro、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 8 ページ: 7190～7200
  • DOI: 10.1021/acscatal.8b01379
  • 査読あり
• [雑誌論文] Near infrared light induced plasmonic hot hole transfer at a nano-heterointerface (2018)
  • 著者名/発表者名: Lian Zichao、Sakamoto Masanori、Matsunaga Hironori、Vequizo Junie Jhon M.、Yamakata Akira、Haruta Mitsutaka、Kurata Hiroki、Ota Wataru、Sato Tohru、Teranishi Toshiharu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 2314
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04630-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nitrogen/fluorine-codoped rutile titania as a stable oxygen-evolution photocatalyst for solar-driven Z-scheme water splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Miyoshi Akinobu、Vequizo Junie Jhon M.、Nishioka Shunta、Kato Yuma、Yamamoto Muneaki、Yamashita Shunsuke、Yokoi Toshiyuki、Iwase Akihide、Nozawa Shunsuke、Yamakata Akira、Yoshida Tomoko、Kimoto Koji、Kudo Akihiko、Maeda Kazuhiko
  • 雑誌名: Sustainable Energy & Fuels 巻: 2 ページ: 2025～2035
  • DOI: 10.1039/C8SE00191J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Undoped Layered Perovskite Oxynitride Li2LaTa2O6N for Photocatalytic CO2 Reduction with Visible Light (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oshimai、T. Ichibha、K. Qin、K. Muraoka、J. Vequizo、K. Hibino、R. Kuriki、S. Yamashita、K. Hongo、T. Uchiyama、K. Fujii 、D. Lu、R. Maezono、A. Yamakata、H. Kato、K. Kimoto、M. Yashima、Y. Uchimoto、M. Kakihana、O. Ishitani 、H. Kageyama、K. Maeda
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 57 ページ: 8154～8158
  • DOI: 10.1002/anie.201803931
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visible-light CO2 reduction over a ruthenium(ii)-complex/C3N4 hybrid photocatalyst: the promotional effect of silver species (2018)
  • 著者名/発表者名: Maeda Kazuhiko、An Daehyeon、Kumara Ranasinghe Chandana Sampath、Uchiyama Tomoki、Kuriki Ryo、Kanazawa Tomoki、Lu Daling、Nozawa Shunsuke、Yamakata Akira、Uchimoto Yoshiharu、Ishitani Osamu
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry A 巻: 6 ページ: 9708～9715
  • DOI: 10.1039/C8TA03245A
  • 査読あり
• [学会発表] Curious Behaviors of Photogenerated Charge Carriers at the Defects on Powder Photocatalysts (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: International Workshop on Crystalline Materials and Applications (IWCMA-2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高性能光触媒の設計を目指した反応機構の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 中央大学理工学部 研究セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 各種助触媒担持による層状酸ハロゲン化物光触媒の水分解活性向上 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小川幹太, 中田明伸, 鈴木肇, 冨田修, 東正信, 山方啓, 佐伯昭紀, 阿部竜
  • 学会等名: 第123回触媒討論会
• [学会発表] BiVO4光触媒へのボールミル処理効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥野和哉, Junie Jhon M. Vequizo, 山方啓, 垣花眞人, 加藤英樹
  • 学会等名: 第123回触媒討論会
• [学会発表] 酸素分圧制御下で合成した不定比SrTiO3-δの光触媒活性への電子ドーピング効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西岡駿太, 兵頭潤次, Junie Jhon M. Vequizo, 山下俊介, 熊谷啓, 木本浩司, 山方啓, 山崎仁丈, 前田和彦
  • 学会等名: 第123回触媒討論会
• [学会発表] How the Defects Affects the Photocatalytic Activity on Powder and Single Crystalline TiO2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: International Conference on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications (CMCEE 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Defects Induced Enhancement of Ga2O3 Based Photocatalysts Studied by Time-Resolved Absorption Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Junie Jhon M. Vequizo, Yoshihisa Sakata
  • 学会等名: 2018 International Symposium on Advancement and Prospect of Catalysis Science & Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The Role of Powder Defects for Efficient Photocatalytic Reactions (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Junie Jhon M. Vequizo
  • 学会等名: The 22nd International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-22)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Remarkable Activity Enhancement of Ca and Zn Doped Ga2O3 Photocatalysts Studied by Transient Absorption Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Junie Jhon M. Vequizo, Shouta Ishiyama, Yoshihisa Sakata, Akira Yamakata
  • 学会等名: The 22nd International Conference on Photochemical Conversion and Storage of Solar Energy (IPS-22)
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Surface Defects on Powder Photocatalysts Studied by Time-resolved Visible to Mid-IR Absorption Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Junie Jhon M. Vequizo
  • 学会等名: International Workshop on Water Splitting: Challenges and Opportunity
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis of 2D perovskite oxynitride Li2LaTa2O6N and the photocatalytic performance for CO2 reduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayoshi Oshima, Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Sunsuke Yamashita, Akira Yamakata, Koji Kimoto, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT8)
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of electron doping with oxygen defect introduction on photocatalytic hydrogen/oxygen evolution activity of non-stoichiometric SrTiO3-δ (2018)
  • 著者名/発表者名: Shunta Nishioka, Junji Hyodo, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Hiromu Kumagai, Koji Kimoto, Akira Yamakata, Yoshihiro Yamazaki, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT8)
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen-doped Ta3N5 modified with a Ru(II) binuclear complex having the ability to reduce CO2 under a wide range of visible light (2018)
  • 著者名/発表者名: Kanemichi Muraoka, Junie Jhon M. Vequizo, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT8)
  • 国際学会
• [学会発表] Nitrogen/fluorine codoped rutile titanium(IV) oxide as a visible-light-driven photocatalyst for water oxidation (2018)
  • 著者名/発表者名: Akinobu Miyoshi, Yuma Kato, Junie Jhon M. Vequizo, Shunsuke Yamashita, Shunsuke Nozawa, Akira Yamakata, Tomoko Yoshida, Koji Kimoto, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT8)
  • 国際学会
• [学会発表] Photocatalytic CO2 reduction under visible light using carbon nitride and a binuclear Ru(II) complex (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kuriki, Akira Yamakata, Osamu Ishitani, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: The 8th Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT8)
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior of Photogenerated Charge Carriers on Highly Efficient Photocatalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Junie Jhon M. Vequizo
  • 学会等名: The 8th Advanced Functional Materials and Devices (AFMD 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ソルボサーマル反応をベースとした光触媒コンポジットの合成と活性向上 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小松田紫央, 朝倉裕介, Junie Jhon M. Vequizo, 山方啓, 殷シュウ
  • 学会等名: (公社) 日本セラミックス協会 第31回秋季シンポジウム 特定セッション 水溶液プロセスが可能にするセラミックス合成
• [学会発表] 時間分解分光測定を利用した高活性光触媒の反応機構解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓, Junie Jhon M. Vequizo
  • 学会等名: (公社) 日本セラミックス協会 第31回秋季シンポジウム 特定セッション 先進的な構造科学と分析技術
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesis of nitrogen/fluorine codoped rutile TiO2 photocatalyst and its application for Z-scheme water splitting (2018)
  • 著者名/発表者名: Akinobu Miyoshi, Junie Jhon M. Vequizo, Shunta Nishioka, Shunsuke Yamashita, Akihide Iwase, Shunsuke Nozawa, Akira Yamakata, Koji Kimoto, Akihiko Kudo, Kazuhiko Maeda
  • 学会等名: 2018年光化学討論会
• [学会発表] Dynamics of photocarriers in reduced TiO2 studied by transient visible to mid-IR absorption spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Junie Jhon M. Vequizo, Fumiaki Amano, Akira Yamakata
  • 学会等名: 2018年光化学討論会
• [学会発表] 光触媒粒子における電子のトラップ過程と蓄積過程 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓, Junie Jhon M. Vequizo, 岡村翔, 白木恭平
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会
• [学会発表] 金属酸窒化物光触媒における光励起キャリアーの過渡吸収 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓, Junie Jhon M. Vequizo, Mirabbos Hojamberdiev, Shanshan Chen, 手島勝弥, 堂免一成
  • 学会等名: 第122回触媒討論会
• [学会発表] Impact of Cocatalyst on the Dynamics of Photocarriers in Ga2O3 Powders Studied by Time-Resolved Absorption Spectroscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Junie Jhon M. Vequizo, Shouta Ishiyama, Yoshihisa Sakata, Akira Yamakata
  • 学会等名: 第122回触媒討論会
• [学会発表] Electron Transfer to Water Molecules on Rh-loaded Ga2O3 Photocatalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Junie Jhon M. Vequizo, Shoya Tsuboi, Shouta Ishiyama, Yoshihisa Sakata, Akira Yamakata
  • 学会等名: グリーン電子素子・材料研究センター 最終年度シンポジウム
• [学会発表] 過渡吸収分光測定を用いた光触媒粒子の光励起ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 第49回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] ポンププローブ法による界面ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 2018年電気化学会関東支部セミナー 先端計測技術による電極界面分析の新展開
  • 招待講演
• [学会発表] 高活性光触媒の実現を目指した新しい分光測定技術の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 第11回ワークショップ 固体材料合成および評価技術の新展開
  • 招待講演
• [学会発表] Time-resolved Absorption Study on the Behavior of Photogenerated Electrons and Holes in Highly Active Photocatalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata, Junie Jhon M. Vequizo
  • 学会等名: Functional Ceramics forum for the upcoming Annual Materials Science Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Curious Behavior of Photogenerated Electrons and Holes in Single-crystalline and Powder Photocatalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: Research Seminar at National Chung Hsing University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-Resolved Visible to mid-IR Absorption Study of Photodynamics on Powder Photocatalysts (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Yamakata
  • 学会等名: Research Seminar at National Chiao Tung University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超高活性Ga2O3系水分解光触媒の光励起ダイナミクス (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓, Junie Jhon M. Vequizo, 石山翔太, 酒多喜久
  • 学会等名: 表面・界面スペクトロスコピー2018
• [学会発表] 時間分解分光測定による高活性光触媒反応のメカニズム解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山方啓
  • 学会等名: 熊本大学工学部研究セミナー
  • 招待講演