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本研究グループでは、局在表面プラズモン共鳴を示すナノ粒子と半導体との界面において、光のエネルギーにより正と負の電荷が分離するプラズモン誘起電荷分離を見出し、これを光触媒、光電変換等に応用してきた。国内外で広く研究されている。本研究では、プラズモン誘起電荷分離による水の水素と酸素への分解反応を目指し、植物の光合成系などで知られるZスキーム型プロセスでこれを達成することを目的とした。
まず、光エネルギーによって酸化反応を起こす光アノードを開発した。透明電極上にn型半導体薄膜を被覆し、その上に金ナノ粒子を配列させた。こうして得た光アノードのプラズモン誘起電荷分離特性を測定し、量子収率は粒子が小さいほど高くなることを示した。また、粒子を加熱すると、半導体との接触性が向上して共鳴モードが変化し、量子収率が改善されることがわかった。
次に、n型半導体上の金ナノ粒子をp型半導体である酸化ニッケルの薄膜で被覆して光アノードとした。光アノードに接続した白金電極における水から水素への還元反応は、光アノード上の金ナノ粒子を酸化ニッケルで被覆することにより促進された。
さらに酸化ニッケル上に白金助触媒を担持することで、より低いバイアス電圧でも反応全体が促進された。このように、n型半導体の上に金ナノ粒子層を載せ、さらにp型半導体で被覆した光アノードは、ナノ粒子上の正電荷をより効率よく分離でき、正電荷を蓄えて多電子酸化反応を駆動しやすく、助触媒を担持して反応を促進できるという利点を持つことがわかった。また、条件が整えば、バイアス電圧を印加しなくても水素発生が可能であった。
次に、酸化ニッケルを水酸化ニッケルや酸化クロムに置き換えたところ、酸化クロムの場合には貯蔵電気量が不十分であったが、水酸化ニッケルの場合にはより高い貯蔵能を示しただけでなく、白金を担持しなくても光アノードとして高い性能を示した。
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