研究課題
SrTiO3にNaをドープすると水分解の光触媒活性が飛躍的に向上することが報告されている。しかし、そのメカニズムが分かっていなかった。そこで、本研究ではこのメカニズムを解明するために、時間分解分光測定を用いて光励起キャリアの挙動を詳しく調べた。まず、ドープ無しの試料に355nmの紫外光パルスを照射してマイクロ秒領域の過渡吸収を測定すると、14000 cm-1以上と14000~5000 cm-1、そして5000 cm-1以下に、トラップ正孔、トラップ電子、自由電子に帰属される吸収が観測された。次に、試料にNaをドープすると、自由電子の吸収強度は若干減少するが、トラップ電子の強度が10倍以上増加した。この結果は、Naドープにより再結合が劇的に抑制されることを意味している。このトラップ過程をさらに詳しく調べるために、フェムト秒レーザーを用いて調べたところ、ドープ無しの場合、自由電子とトラップ電子は共に光励起から数ps以内に減少し始めた。一方、Naをドープした場合、無ドープと同様に自由電子は光照射直後から減少するが、トラップ電子は光照射から約20 psにわたり増加し続けた。この結果はNaドープで導入されたトラップサイトに電子が蓄積されることを意味している。トラップサイトに電子が捕捉されると電子の動きが遅くなり正孔との衝突確率が低下する。その結果、トラップ電子の寿命が長くなったと説明できる。このときNaをドープした試料に水素生成助触媒であるRhCrOxを担持すると、助触媒に電子が移動することが分かった。この結果は、電子はトラップされているにも関わらず担持した助触媒に移動可能であり、光触媒反応に寄与できることを意味している。つまり、Naは欠陥準位を形成し再結合を劇的に抑制するが、このトラップ電子の反応活性は維持されるために、定常反応活性が向上することを明らかにした。
2: おおむね順調に進展している
一般に半導体に欠陥を導入すると再結合が促進されると考えられてきた。しかし、欠陥を導入することで再結合を抑制できることを明らかにした。欠陥に電子がトラップされるとエネルギーが低下するので反応活性は低下するはずである。しかし、SrTiO3にドープしたNaの場合、電子の反応活性はそれほど大きく低下しないことを見いだした。一般に欠陥は光触媒活性を低下させる主な原因であると考えられてきたが、逆に活性向上に役立つことを見いだしたことが本研究の最も重要な発見である。
欠陥には光触媒活性を低下させる物もあれば、逆に光触媒活性の向上に役立つ物もある。この違いを明らかにすることができればより戦略的に欠陥を設計することが可能であると考えられる。今後はこの違いを調べる研究を続けていく。
すべて 2021 2020 2019 その他
すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (36件) (うち国際共著 4件、 査読あり 35件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (73件) (うち国際学会 17件、 招待講演 12件) 備考 (1件)
European Journal of Organic Chemistry
巻: 2021 ページ: 3377~3381
10.1002/ejoc.202100276
Nature Catalysis
巻: 4 ページ: 374-384
10.1038/s41929-021-00605-1
ACS Applied Energy Materials
巻: 4 ページ: 2056-2060
10.1021/acsaem.0c03055
Nature Communications
巻: 12 ページ: 1005
10.1038/s41467-021-21284-3
ACS Catalysis
巻: 11 ページ: 1911-1919
10.1021/acscatal.0c05104
会報光触媒
巻: 64 ページ: 27-36
Journal of Materials Chemistry A
巻: - ページ: -
10.1039/D1TA01703A
10.1039/D1TA01162F
巻: 3 ページ: 12460-12467
10.1021/acsaem.0c02427
ACS Applied Materials & Interfaces
巻: 12 ページ: 44743-44753
10.1021/acsami.0c12951
Journal of Catalysis
巻: 390 ページ: 81-89
10.1016/j.jcat.2020.07.025
Inorganic Chemistry
巻: 59 ページ: 11122-11128
10.1021/acs.inorgchem.0c01607
Journal of Chemical Physics
巻: 152 ページ: 241101
10.1063/5.0010121
巻: 8 ページ: 11996-12002
10.1039/D0TA04450D
Angewandte Chemie International Edition
巻: 59 ページ: 16209-16217
10.1002/anie.202006747
Journal of Physical Chemistry C
巻: 124 ページ: 11057-11063
10.1021/acs.jpcc.0c03369
巻: 8 ページ: 9099-9108
10.1039/D0TA02883E
巻: 10 ページ: 4960-4966
10.1021/acscatal.0c00944
Chemical Science
巻: 11 ページ: 6436-6441
10.1039/D0SC01167C
Chemical Engineering Journal
巻: 390 ページ: 124616
10.1016/j.cej.2020.124616
触媒 【特集号: 触媒設計を拓く欠陥構造のキャラクタリゼーション】
巻: 62 ページ: 22-28
巻: 3 ページ: 1207-1214
10.1021/acsaem.9b02262
Solar RRL
巻: 4 ページ: 1900461
10.1002/solr.201900461
Environmental Science and Technology
巻: 54 ページ: 497-506
10.1021/acs.est.9b05044
Applied Catalysis B: Environmental
巻: 263 ページ: 118333
10.1016/j.apcatb.2019.118333
巻: 11 ページ: 45606-45611
10.1021/acsami.9b14802
巻: 7 ページ: 26139-26146
10.1039/C9TA08216F
ChemCatChem
巻: 11 ページ: 6349-6354
10.1002/cctc.201901669
巻: 11 ページ: 6213-6217
10.1002/cctc.201901564
Journal of the American Chemical Society
巻: 141 ページ: 17158-17165
10.1021/jacs.9b06570
J. Photochem. Photobiol. C-Photochem. Rev.
巻: 40 ページ: 234-243
10.1016/j.jphotochemrev.2018.12.001
ChemPhotoChem
巻: 3 ページ: 1027-1033
10.1002/cptc.201900120
Sustainable Energy & Fuels
巻: 3 ページ: 2337-2346
10.1039/C9SE00289H
巻: 11 ページ: 22264-22271
10.1021/acsami.9b03747
巻: 2 ページ: 3274-3282
10.1021/acsaem.9b00126
Ceramics International
巻: 45 ページ: 15676-15680
10.1016/j.ceramint.2019.05.080
https://www.toyota-ti.ac.jp/photochem/index.htm