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2021 年度 実施状況報告書

正孔誘起プラズモニック光電極による近赤外光利用ソーラー水素合成

研究課題

研究課題/領域番号 21K05236
研究機関近畿大学

研究代表者

納谷 真一  近畿大学, 有害物質処理室, 技術職員 (20329113)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワードプラズモニック光電極 / 正孔誘起プラズモン共鳴 / ホットホール移動 / 光触媒による水の分解
研究実績の概要

正孔誘起プラズモニック材料である硫化銅(CuS)の特性を明らかにするため、化学浴析出法によるフッ素ドープ酸化スズ(FTO)透明導電性基板への担持を行った。得られたCuS/FTOの粉末X線回折(XRD)測定では、ヘキサゴナルのCuSに由来する回折パターンが見られた。透過型電子顕微鏡(TEM)観察では、15 nm程度のナノ粒子の集合体であることが分かった。拡散反射法で測定した紫外可視近赤外吸収スペクトルでは、CuSに特徴的な近赤外領域の強い吸収が見られた。興味深いことに、反応時間を延ばすとこのピークの大幅なブルーシフトが見られ、60分では、720 nmまでシフトすることが分かった。局在表面プラズモン共鳴(LSPR)による吸収は、集団振動しているキャリアの密度に依存して、そのピーク位置がシフトする。そして、CuSは、CuとSの比率が1:1からずれることで、キャリアであるホールが発生している。そこで、X線光電子分光法(XPS)測定によりCuとSの比率を求めたところ、反応時間とともにCuの割合が低下し、ホール密度が増加していることが明らかとなった。さらに、CuS/FTOを電気化学的に還元し、ホール密度を減少させたところ、ピークのレッドシフトが見られた。以上の結果から、FTO基板に担持されたCuSナノ結晶集合体が示す720 nmの吸収ピークが、正孔誘起LSPRに起因することが明らかとなった。これは、これまでに報告例のない波長領域の吸収ピークである。
CuS/FTOを用いた光電気化学セルに、疑似太陽光に光学フィルターを用いて670 nm以上の光を照射したところ、還元電流が流れた。さらに、光電位測定では正のシフトが見られることから、正孔誘起LSPRの励起により、CuSからFTOへのホットホール注入が起こることが明らかとなった。

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

正孔誘起プラズモニック光電極の鍵材料である硫化銅(CuS)の合成条件による変化を検討し、基礎を固めると同時に、これまでに報告例のない領域まで吸収ピークをブルーシフトさせることが出来た。これは、光吸収により生成するホットキャリアのエネルギーを大きく増大することが出来ることを示しており、プラズモニック光電極の性能向上の大きな手掛かりとなる。さらに、p型担体であるNiO基板へのCuS担持も検討しており、大幅な光電流増大も達成している。おおむね期待通り進捗していると考えている。

今後の研究の推進方策

高性能な正孔誘起プラズモニック光電極達成のためには、基板であるNiOの状態に加え、CuS-NiOの間の原子レベルでの接合状態が重要になる。高分解能TEMや電子線回折を用いた詳細な解析や合成法の検討により、良好な接合を持つ電極の合成法を開発する。さらに、これを用いた光電気化学セルを作製し、疑似太陽光を用いた水素生成を検討していく。

次年度使用額が生じた理由

触媒電極の作製や光電気化学測定が期待通りスムーズに進んだため、試薬等の購入が抑えられた。さらに、光反応に使用するランプなどの消耗品が本年度中は交換せずに使用できたため、次年度使用額とした。次年度は、次年度使用額を加えた助成金を使用し、さらに研究を加速する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Highly Active and Renewable Catalytic Electrodes for Two-Electron Oxygen Reduction Reaction2022

    • 著者名/発表者名
      Naya Shin-ichi、Suzuki Haruya、Kobayashi Hisayoshi、Tada Hiroaki
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 38 ページ: 4785~4792

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c00659

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bottom-up formation of gold truncated pyramids smaller than 10 nm on SrTiO<sub>3</sub> nanocubes: an application for plasmonic water oxidation2021

    • 著者名/発表者名
      Kurokawa Kota、Fujishima Musashi、Naya Shin-ichi、Tada Hiroaki
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 57 ページ: 7232~7235

    • DOI

      10.1039/d1cc02813h

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrogen Peroxide Production from Oxygen and Water by Two-electrode Electrolytic Cell Using a Gold Nanoparticle-loaded Fluorine-doped Tin Oxide Cathode2021

    • 著者名/発表者名
      Kunimoto Takeshi、Naya Shin-ichi、Tada Hiroaki
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 ページ: 1589~1591

    • DOI

      10.1246/cl.210269

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photocatalysis of Ag Nanoparticle-incorporated AgI Formed in the Pores of Mesoporous TiO<sub>2</sub> Film2021

    • 著者名/発表者名
      Naya Shin-ichi、Tada Hiroaki
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 ページ: 1872~1874

    • DOI

      10.1246/cl.210457

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermocatalytic Activity of Gold Truncated Nanopyramids on Strontium Titanate Nanocube2021

    • 著者名/発表者名
      Kurokawa Kota、Sugime Hisashi、Naya Shin-ichi、Tada Hiroaki
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 ページ: 1997~2000

    • DOI

      10.1246/cl.210544

    • 査読あり
  • [学会発表] 金ナノ粒子-酸化チタン系 プラズモニック光触媒の活性に及ぼす 酸化チタン結晶型の影響2022

    • 著者名/発表者名
      森田陽子・秋田敦宣・藤島武蔵・杉目恒志・納谷真一 ・多田弘明
    • 学会等名
      電気化学会第89回大会
  • [学会発表] 金トライアングルナノプレートの超音波合成 およびフォトサーマル触媒への応用2022

    • 著者名/発表者名
      杉田翔麻・納谷真一 ・杉目恒志 ・多田弘明
    • 学会等名
      電気化学会第89回大会
  • [学会発表] Hole-derived plasmonic photocatalyst film consisting of cupper sulfide nanocrystals for near-infrared photoelectric conversion2021

    • 著者名/発表者名
      Shin-ichi NAYA, Yuya SHITE, Hiroaki TADA
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] ドープ金属酸化物型シングルサイト触媒電極による酸素2電子還元反応2021

    • 著者名/発表者名
      納谷真一 ,鈴木遥也, 小林久芳, 杉目恒志, 多田弘明
    • 学会等名
      2021年電気化学会秋季大会
  • [学会発表] Sb(III)イオンで表面修飾した金ナノ粒子担持酸化スズ可視光光触媒による純水からの過酸化水素合成2021

    • 著者名/発表者名
      寺西美和子,納谷真一,多田弘明
    • 学会等名
      2021年電気化学会秋季大会
  • [学会発表] 金ナノ粒子担持アンチモンドープ酸化スズナノ結晶によるアルコール選択的酸化に対するフォトサーマル効果2021

    • 著者名/発表者名
      井上晴輝・納谷真一 ・杉目恒志 ・多田弘明
    • 学会等名
      第72回 コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] ヘテロエピタキシャル接合を有する アンチモンドープ酸化スズナノロッド-酸化チタン複合体の 合成と光触媒特性2021

    • 著者名/発表者名
      鈴木遥也, 山内純平, 納谷真一, 杉目恒志, 多田弘明
    • 学会等名
      第72回 コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] ヘテロエピタキシャル接合誘起ファセット形成法を用いて調製した金ナノ粒子担持チタン酸ストロンチウムナノキューブの熱触媒作用2021

    • 著者名/発表者名
      黒川宏太・納谷真一・杉目恒志・多田弘明
    • 学会等名
      第72回 コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] 酸化スズ-酸化チタンナノロッドからなる 放射状ヘテロメソクリスタルの合成と 酸化鉄クラスター表面修飾による可視光応答化2021

    • 著者名/発表者名
      小島諒太・秋田敦宣 ・納谷真一・杉目恒志・多田弘明
    • 学会等名
      第72回 コロイドおよび界面化学討論会
  • [学会発表] 銀ナノ粒子内包ヨウ化銀ナノ結晶担持 多孔質酸化チタン薄膜の合成と プラズモニック光触媒への応用2021

    • 著者名/発表者名
      納谷真一,多田弘明
    • 学会等名
      第128回 触媒討論会
  • [学会発表] 酸化マンガンクラスター担持 アンチモンドープ酸化スズナノ結晶触媒の 環境浄化に対する近赤外フォトサーマル効果2021

    • 著者名/発表者名
      納谷真一 ,多田弘明
    • 学会等名
      2021年色材研究発表会

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公開日: 2022-12-28  

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