電気化学Ｘ線吸収分光法による水分解用光電極の励起キャリア移動のオペランド観測

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24750134
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 吉田 真明 慶應義塾大学, 理工学部, 助教 (00582206)
• キーワード: X線吸収分光法 / 光電極 / 励起キャリア / 助触媒 / 酸化マンガン

研究概要

本研究は、X線吸収分光法(XAFS)により光電極上の酸化マンガンの電子状態を測定し、光電極内部で生成した励起キャリアが酸化マンガン助触媒上へ移動する様子を観測することを目的とした。平成25年度の実験では、光電極反応で生成した水素・酸素ガスを検出するガスサンプリングシステムを作製し、光電極活性を見積もった上でXAFS測定を行えるように改良した。そのため、平成24年度からの研究期間全体を通じて、PFやSPring-8でin-situ XAFS測定装置や光電極活性測定装置の開発を行い、酸化マンガンを電着したNb:SrTiO3光電極を調製し、紫外光照射下でのMn-K端XAFSスペクトルを測定することに取り組んだ。実際に光電極反応が進行する中でXAFSスペクトルを測定すると、3価のマンガン種が4価に酸化される様子が観測され、Nb:SrTiO3光電極内部で生成した励起ホールが酸化マンガン助触媒に移動する様子を観測できることが分かった。このとき、電極電位を0.5 Vから-0.5 Vまで変えて同様の測定を行うと、光電極活性の減少と対応してXAFSスペクトルの吸収端のシフトが観測されなくなり、光電極活性と相関があることが示された。また、紫外光の光量を変えてXAFS測定を行うと、光量が強いほどXAFSスペクトルのシフトが速くなり、励起キャリアの移動が紫外光の光量に依存することが示唆された。そのため、本研究では、光電極内部から酸化マンガン助触媒上への励起キャリアの移動をXAFSによって見積もれることが分かり、励起キャリアの移動は光電極活性と相関があることが分光学的に明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Electrochromic Characteristics of a Nickel Borate Thin Film Investigated by In Situ XAFS and UV/vis Spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, T. Iida, T. Mineo, T. Yomogida, K. Nitta, K. Kato, H. Nitani, H. Abe, T. Uruga, and H. Kondoh
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 82 ページ: 355
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.82.355
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lanthanoid Oxide Layers on Rhodium-Loaded (Ga1-xZnx)(N1-xOx) Photocatalyst as a Modifier for Overall Water Splitting under Visible-Light Irradiation (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Yoshida, Kazuhiko Maeda, Daling Lu, Jun Kubota, and Kazunari Domen
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 117 ページ: 14000-14006
  • DOI: 10.1021/jp402240d
  • 査読あり
• [雑誌論文] In situ observation of carrier transfer in the Mn-oxide/Nb:SrTiO3 photoelectrode by X-ray absorption spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Yoshida, Takumi Yomogida, Takehiro Mineo, Kiyofumi Nitta, Kazuo Kato, Takuya Masuda, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Tomoya Uruga, Kiyotaka Asakura, Kohei Uosaki, and Hiroshi Kondoh
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 49 ページ: 7848-7850
  • DOI: 10.1039/C3CC43584A
  • 査読あり
• [学会発表] Observation of Photoexcited Carrier Transfer in MnOx/SrTiO3 Photoelectrode by In-Situ X-Ray Absorption Fine Structure (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Yoshida, Saaya Maeda, Takumi Yomogida, Takehiro Mineo, Kiyohumi Nitta, Kazuo Kato, Takuya Masuda, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Tomoya Uruga, Kiyotaka Asakura, Kohei Uosaki, Hiroshi Kondoh
  • 学会等名: 225th ECS meeting
  • 発表場所: Hilton Orlando Bonnet Creek Hotel
  • 年月日: 20140511-20140515
• [学会発表] In-situ電気化学XAFS法を用いた半導体光電極から酸素生成助触媒への励起ホール移動の観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 蓬田匠、吉田真明、峯尾岳大、新田清文、加藤和男、増田卓也、仁谷浩明、阿部仁、高草木達、宇留賀朋哉、朝倉清高、魚崎浩平、近藤寛
  • 学会等名: 第27回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
  • 発表場所: 広島国際会議場
  • 年月日: 20140111-20140113
• [学会発表] In-Situ X線吸収分光法によるMnOx/SrTiO3水分解光触媒上での励起キャリア移動の観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 吉田真明、権成浩、蓬田匠、峯尾岳大、新田清文、加藤和男、増田卓也、仁谷浩明、阿部仁、高草木達、宇留賀朋哉、朝倉清高、魚崎浩平、近藤寛
  • 学会等名: 第33回表面科学学術講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場エポカル
  • 年月日: 20131126-20131128
• [学会発表] XAFSによる水分解用光電極上のリン酸コバルト(Co-Pi)助触媒に関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 峯尾岳大、吉田真明、蓬田匠、新田清文、加藤和男、増田卓也、仁谷浩明、阿部仁、高草木達、宇留賀朋哉、朝倉清高、魚崎浩平、近藤寛
  • 学会等名: 第33回表面科学学術講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場エポカル
  • 年月日: 20131126-20131128
• [学会発表] Observation of photoexcited carrier transfer in MnOx/SrTiO3 photocatalyst by in-situ X-ray absorption fine structure (2013)
  • 著者名/発表者名: Masaaki Yoshida, Saaya Maeda, Takumi Yomogida, Takehiro Mineo, Kiyohumi Nitta, Kazuo Kato, Takuya Masuda, Hiroaki Nitani, Hitoshi Abe, Satoru Takakusagi, Tomoya Uruga, Kiyotaka Asakura, Kohei Uosaki, Hiroshi Kondoh
  • 学会等名: The 6th Asia-Pacific Congress on Catalysis
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 20131013-20131017
• [備考] 慶應義塾大学理工学部化学科 近藤研究室
  • URL: http://www.chem.keio.ac.jp/~kondoh/index/jp/
• [備考] ＫＯＡＲＡ（慶應義塾大学学術情報アーカイブ）
  • URL: http://k-ris.keio.ac.jp/Profiles/0170/0020067/pblc1.html