機能分離された多層構造を有する水分解用光触媒の開発と速度論的解析

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25810112
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 久富 隆史 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00637481)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 光触媒 / コアシェル構造 / ドーピング / 太陽エネルギー / 水素 / 水分解 / 半導体物性 / 触媒・化学プロセス

研究実績の概要

本研究はSrTiO3光触媒をベースとした機能性多層構造を設計し，現在広く使用されているRhドープSrTiO3よりも水素生成活性に優れる光触媒を合成することを目指した．2013年度は結晶性のSrTiO3をコアとし，LaRhO3成分にとんだSrTiO3シェルを形成させることでSrTiO3:La,Rh光触媒を合成した．水素生成光触媒としてSrTiO3:La,Rhを用いた粒子間電子移動による二段階励起水分解反応系はSrTiO3:Rhを用いた場合に比べて3倍高い水活性を示した．
2014年度（最終年度）は二段階励起水分解反応系の一層の活性向上を図った．光触媒活性を様々な条件で検討した結果，粒子間電子移動の効率が低いことが示唆された．また，粒子間の電子移動が進行するには二種類の光触媒粒子間に十分な強さの静電引力が働くことが必須であり，使用できる光触媒の種類や反応溶液が限定されるという課題があった．そこで，水素生成光触媒と酸素生成光触媒を同一の導電層に固定化することを検討した．
水素生成光触媒として本課題で開発したSrTiO3:La,Rhを，酸素生成光触媒として二段階励起水分解反応への応用実績があるBiVO4を用いた．導電層として金を二種類の光触媒混合粉末上に蒸着し，光触媒粒子と導電層の間に機械的強度と導通が良好な接合を形成させ，その後剥離した．SrTiO3:La,Rh，BiVO4，Auの全てを含む試料は粒子間電子移動を利用した粉末懸濁系に比べて5倍の水分解速度を可視光照射下で示した．また，裏面導電層を含まない試料は水分解活性が著しく低かった．このことから，水素生成光触媒と酸素生成光触媒を同一の導電層上に固定化することが二段階光励起水分解反応系の高活性化に有効であることが確かめられた．本成果は，従来の二段階励起型水分解反応系の問題点を克服するものであり，高活性化に貢献すると期待される．

研究成果

• [雑誌論文] Photocatalytic Water-Splitting Reaction from Catalytic and Kinetic Perspectives (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hisatomi, Kazuhiro Takanabe, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Catalysis Letters 巻: 145 ページ: 95-108
  • DOI: 10.1007/s10562-014-1397-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Z-scheme Water Splitting Using Particulate Semiconductors Immobilized onto Metal Layers for Efficient Electron Relay (2015)
  • 著者名/発表者名: Qian Wang, Yanbo Li, Takashi Hisatomi, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Jun Kubota, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Journal of Catalysis 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1016/j.jcat.2014.12.006.
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Site-selective photodeposition of Pt on a particulate Sc-La5Ti2CuS5O7 photocathode: evidence for one-dimensional charge transfer (2015)
  • 著者名/発表者名: Guijun Ma, Jingyuan Liu, Takashi Hisatomi, Tsutomu Minegishi, Yosuke Moriya, Motoki Iwase, Hiroshi Nishiyama, Masao Katayama, Taro Yamada, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 51 ページ: 4302-4305
  • DOI: 10.1039/C4CC10297E
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Positive Onset Potential and Stability of Cu2O-based Photocathodes in Water Splitting by Atomic Layer Deposition of a Ga2O3 Buffer Layer (2015)
  • 著者名/発表者名: Changli Li, Takashi Hisatomi, Osamu Watanabe, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Kazunari Domen, Jean-Jacques Delaunay
  • 雑誌名: Energy and Environmental Science 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1039/C5EE00250H
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Surface modification of the CoOx loaded BiVO4 photoanodes with ultrathin p-type NiO layers for the improved solar water oxidation (2015)
  • 著者名/発表者名: Miao Zhong, Takashi Hisatomi, Yongbo Kuang, Jiao Zhao, Min Liu, Akihide Iwase, Qingxin Jia, Hiroshi Nishiyama, Tsutomu Minegishi, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Ryo Niishiro, Chisato Katayama, Hidetaka Shibano, Masao Katayama, Akihiko Kudo, Taro Yamada, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 未定 ページ: 未定
  • DOI: 10.1021/jacs.5b00256
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Core/Shell Structured La- and Rh-codoped SrTiO3 as a Hydrogen Evolution Photocatalyst in Z-scheme Overall Water Splitting under Visible Light Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: Qian Wang, Takashi Hisatomi, Su Su Khine Ma, Yanbo Li, Kazunari Domen,
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 26 ページ: 4144-4150
  • DOI: 10.1021/cm5011983
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photoelectrochemical properties of SrNbO2N photoanodes for water oxidation fabricated by the particle transfer method (2014)
  • 著者名/発表者名: Haruki Urabe, Takashi Hisatomi, Tsutomu Minegishi, Jun Kubota, Kazunari Domen
  • 雑誌名: Faraday Discussions 巻: 176 ページ: 213-223
  • DOI: 10.1039/C4FD00122B
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Z-scheme Water Splitting Using Particulate Semiconductors Immobilized onto Metal Layers (2015)
  • 著者名/発表者名: Qian Wang, Takashi Hisatomi, Yanbo Li, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, Jun Kubota, Kazunari Domen
  • 学会等名: International Conference on Light Driven Water Splitting Using Semiconductor Based Devices
  • 発表場所: Mallorca, Spain
  • 年月日: 2015-03-11
• [学会発表] Photoelectrochemical Properties of SrNbO2N Photoanodes for Water Oxidation Fabricated by the Particle Transfer Method (2014)
  • 著者名/発表者名: Haruki Urabe, Takashi Hisatomi, Tsutomu Minegishi, Jun Kubota, Kazunari Domen,
  • 学会等名: Next-Generation Materials for Energy Chemistry: Faraday Discussion 176
  • 発表場所: Xiamen, China
  • 年月日: 2014-10-28
• [学会発表] 助触媒で修飾されたBaNbO2Nの光触媒活性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 久富隆史, 片山知里, 守屋映祐, 嶺岸耕, 片山正士, 西山洋, 山田太郎, 堂免一成
  • 学会等名: 第114回触媒討論会
  • 発表場所: 東広島市, 広島大学
  • 年月日: 2014-09-27
• [学会発表] La- and Rh-codoped SrTiO3 as a Hydrogen Evolution Photocatalyst in Z-scheme Water Splitting (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hisatomi, Qian Wang, Yanbo Li, Su Su Khine Ma, Kazunari Domen
  • 学会等名: International Conference on New Advances in Materials Research for Solar Fuels Production
  • 発表場所: Montreal, Canada
  • 年月日: 2014-06-25
• [学会発表] Oxygen evolution using BaNbO2N under visible light illumination (l < 740 nm) (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hisatomi, Chisato Katayama, Tsutomu Minegishi, Masao Katayama, Hiroshi Nishiyama, Taro Yamada, Kazunari Domen
  • 学会等名: The Seventh Tokyo Conference on Advanced Catalytic Science and Technology (TOCAT7)
  • 発表場所: KyotoTERRSA, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2014-06-04
• [学会発表] Metal (Oxy)nitrides for Oxygen Evolution Reaction under Visible Light Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: Takashi Hisatomi, Kazunari Domen
  • 学会等名: European Materials Research Society Spring Meeting
  • 発表場所: Lille, France
  • 年月日: 2014-05-27
  • 招待講演
• [図書] From Molecules to Materials: Pathways to Artificial Photosynthesis (2015)
  • 著者名/発表者名: Guijun Ma, Takashi Hisatomi, Kazunari Domen
  • 総ページ数: 321 (1-56)
  • 出版者: Springer
• [産業財産権] 光触媒積層体及びその製造方法 (2014)
  • 発明者名: 堂免一成, 久富隆史, 王謙, 仮屋伸子
  • 権利者名: 東京大学、三菱化学、人工光合成化学プロセス技術研究組合
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2014-286898
  • 出願年月日: 2014-09-12