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本研究では、ユビキタス元素であり、無毒かつ環境への親和性が高い鉄を原料としたFeOOHの新しい光機能性に着目し、その機構を解明することで、環境浄化とエネルギー生成を兼ね備えた材料開発の研究の基盤を確立することが目的である。
模擬汚染水と見なしたメタノール水溶液にオキシ水酸化鉄を加えて光照射したところ、水素が生成することを確認した。次に、同位体の重水素に置き換えた水と、同様に重水素の目印をつけたメタノールを使って発生した水素の同位体の違いをガスクロマトグラフ質量分析計（GC-MS）で確認したところ、発生した水素の一部は、普通の水由来であることが分かった。溶液が酸性であるほど水素の発生量が多くなり、pHが1だとpHが9のときより20倍も発生量が多くなることが分かった。また、水溶液に還元剤を入れた方が、水素の発生量が多くなることも確認できた。有機化合物としては、プロパノールを水溶液に入れたときに最も水素発生量が多く、メタノール、ヘキサノール、エタノール、シュウ酸の順に発生量は少なくなった。酸素濃度が濃いほど発生量が多くなり、紫外線を照射する必要があることが明らかになった。他の光触媒と比較したところ、オキシ水酸化鉄の水素発生量は、酸化チタンの25倍になることが確認できた。
FeOOHの光水素生成反応について、光電気化学測定の結果よりFeOOH自身の光還元が要因だと考えると、光照射前のフェルミ準位はプロトン還元電位より低いが、光照射することで光励起した電子がFeOOHを還元させ結晶表面に2価の鉄イオンが生じ、ホールはメタノールの酸化のために消費される。FeOOHの結晶内の自己還元によりフェルミ準位が高くなり、最終的にプロトンを還元することが出来きる準位に到達することで結晶表面の2価の鉄イオンまたは低価数の鉄化合物がプロトンを還元し水素発生させることができたと推察された。
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