| 研究課題/領域番号 |
16J04179
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
川脇 徳久 京都大学, 化学研究所, 特別研究員(SPD)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| キーワード | ナノ粒子 / プラズモン / ヘテロ接合 / 人工光合成 / 光触媒 |
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| 研究実績の概要 |
ヘテロ接合ナノ粒子は、異種無機相界面に有機保護層からなる絶縁層を有しないため、効率的な空間電荷分離が生じる。そのため、光触媒や太陽電池などの光電気化学デバイスへ応用することで、単純に粒子を混合しただけの系に比べて高効率な性能が期待される。特に、プラズモン共鳴を示すような金(Au)ナノ粒子は、半導体と接合することで、ホットエレクトロン注入によって光触媒活性を示す。また、高い酸化安定性を持つため、自己溶解しない光触媒として機能するため注目を集めている。本研究では、Auと半導体が保護剤を介さずに原子レベルで直接接合したヘテロナノ粒子を合成して、その電荷分離を促し、水分解や二酸化炭素還元など、種々の化学反応への展開を試みている。
本年度は、可視－近赤外に光吸収を示す硫化銀(Ag2S)ナノ粒子を核として、紫外に吸収をもつ硫化亜鉛(ZnS)や可視に吸収を持つ硫化カドミウム(CdS)が成長したヘテロ接合ナノ粒子の合成に成功した。また、これらのヘテロ接合ナノ粒子に対して、ケミカルエクストラクション法によって硫黄を溶媒中に引き抜くことで、Ag2SからメタルAgを合成できることを明らかにした。合成したAg-ZnSやAg-CdSナノ粒子は可視光領域にAgナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴由来の強い光吸収を示した。これらのナノ粒子の光触媒活性をメチレンブルーの還元反応によって評価したところ、Ag-ZnxCd1-xSが最も高い光触媒活性を示した。これは、Agナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴によって可視光領域の光が強く吸収され、光電変換効率が向上したためだと考えられる。
次年度は、より安定性の高い金を用いたヘテロナノ粒子の合成と、水の還元や二酸化炭素還元といったより高付加価値な還元体の光合成反応への利用を検討する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
局在表面プラズモン共鳴を示すようなAg-CdS、Ag-ZnS、AG-ZnxCd1-xSナノ粒子の合成に成功し、それらのナノ粒子の光還元能を比較した。Ag-CdZnSナノ粒子が局在表面プラズモン共鳴による増強効果によって最も高い活性を示すことを明らかにし、その量子効率測定手法も確立した。このことから、平成28年度の目標であった、プラズモンナノ粒子と半導体ナノ粒子が直接決結合したヘテロ接合ナノ粒子の合成に成功しており、その光触媒活性を簡易的にではあるが評価することができている。おおむね順調に研究が進捗しているといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初、ヘテロ接合ナノ粒子合成には、Auナノ粒子を利用する予定であった。Auは、熱や化学的に安定なため、耐久性の高い光触媒としての利用が期待できる。しかし、本年度の研究でバンドギャップの大きなカルコゲン化物とAuの格子ミスマッチが比較的大きいため、ヘテロナノ粒子合成が難しいことが判明した。一方で、ケミカルエクストラクション法によって、Ag2Sを経由したAg-ZnSヘテロ接合ナノ粒子の合成が可能であるという知見が得られた。
そこで今後は、同様に硫化物を経由したAu-カルコゲン化物ヘテロ接合ナノ粒子の合成を試みる。
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