2020 Fiscal Year Research-status Report
Photocatalytic activity of titanium oxide nanoparticles treated by heat-assisted atmospheric pressure oxygen plasma
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20K03917
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
川上 烈生 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 講師 (30314842)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱アシスト大気圧酸素プラズマ / アナターゼ型酸化チタン / 光触媒ナノ粒子 / 光触媒活性 / 紫外線LED照射 / 酸素空孔 / 酸素関連基吸着 / プラズモン励起電子移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アナターゼ型酸化チタンナノ粒子は環境浄化材（殺菌効果も含む）だけでなく再生可能エネルギー材として期待されているが，光励起キャリアの高い再結合率のため光触媒活性が実用的に低いことが課題である．我々は熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理したアナターゼ型酸化チタンナノ粒子の光分解力と光殺菌力が，未処理サンプルと電気炉サンプルに比べ向上することを見出した．
熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理により相転移は生じないが，アナターゼ(112)/(101)面強度比が増加する一方で酸化チタンナノ粒子凝集体サイズが減少し，光吸収量と光誘起電気導電率が増加することがわかった．酸化チタン表面上に多くの架橋酸素関連基/末端酸素関連基の吸着と格子酸素欠損を引き起こすこともわかった．大気圧低温プラズマからのスーパーオキサイドアニオン，酸素分子イオン，オゾン分子イオンにより酸素空孔が導入されることも予見した．
これらの結果より，熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理による光触媒活性機構は，光励起キャリア濃度の増加が原因であると考える．光励起キャリア濃度の増加は，ナノ粒子凝集体サイズ減少とアナターゼ(112)面成長による光吸収量の増加，酸素プラズマからのイオン衝撃により導入された酸素空孔に起因する架橋/末端酸素関連基吸着により促進される光励起キャリア電荷分離効果，チタンが豊富な表面部分から酸化チタンへのプラズモン励起電子移動効果によると考える．光励起キャリアにより架橋/末端酸素関連基の吸着から生成される活性酸素種（ヒドロキシルラジカル）も光触媒活性に寄与すると考える．
これらの知見は，アナターゼ型酸化チタンナノ粒子の光触媒活性化機構の基礎的な理解において学術的に極めて重要である．また，熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理法が，新しいポスト処理法として優位性があることを学術的に裏付けている点において意義が高いといえる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理したアナターゼ型酸化チタンナノ粒子の物理，化学，電気，光分析により，光触媒活性機構の全貌が明らかになりつつある．その成果の一部を Applied Surface Science 526 (2020) 146684 へ報告することができた．熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理したアナターゼ型酸化チタンナノ粒子サンプルはサイズダウンしたナノ粒子凝集体の集まりで構成され，プラズマ誘因による酸素空孔の導入と架橋/末端酸素関連基の吸着効果が顕著であることが見出された．この事実は，プラズモン励起電子移動効果や単なる酸素空孔の導入だけでなく，酸素空孔導入により促進される架橋/末端酸素関連基の吸着効果が光触媒活性機構の最大の要因であることを示唆させる．この成果は光触媒活性を向上させるための極めて重要な知見であり，他の光触媒材料の光触媒活性化向上にも役立つものと考え，現在，アナターゼ/ルチル混晶型酸化チタンナノ粒子への熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理効果について研究を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
アナターゼ/ルチル混晶型酸化チタンナノ粒子を用いて，熱アシスト大気圧酸素プラズマにより導入される表面格子酸素欠損がどう変化し光触媒反応性の向上に関与するのか明らかにする．初年度と同様に，未処理サンプル，熱アシスト大気圧酸素プラズマ処理サンプル，熱処理サンプル， 大気圧酸素プラズマ処理サンプルを準備する．X線光電子分光法により得られた4つのサンプル間の表面格子酸素量を比較分析する．エネルギー分散型X線分光器により，表面元素マッピング分析の比較も行う．他方，紫外可視分光光度計や過渡吸収分光法によりサンプル間の吸光度を比較分析する．これらデータの相関性を考察することで，チタンナノ島に起因するプラズモン効果による光吸収量増加現象の関与が明確になる．また，熱アシスト大気圧酸素プラズマにより，どういった酸素空孔欠陥が導入され光触媒反応性の向上に与するのか明らかにする．フォトルミネッセンス法と過渡光容量スペクトル法により，これらサンプル間の酸素空孔欠陥準位密度を比較分析する．このデータと初年度に得られたサンプル導電率の変化量の相関性を考察することで，どのような酸素空孔欠陥準位密度が光励起キャリア密度増加に寄与するのか明らかになる．研究体制や役割分担は初年度と同じである．
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[Journal Article] Effects of Nonequilibrium Atmospheric-Pressure O2 Plasma-Assisted Annealing on Anatase TiO2 Nanoparticles2020
Author(s)
Retsuo Kawakami, Yuki Yoshitani, Akihiro Shirai, Shin-ichiro Yanagiya, Hirofumi Koide, Yuki Mimoto, Kosuke Kajikawa, Masahito Niibe, Yoshitaka Nakano, Chisato Azuma, Takashi Mukai
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Journal Title
Applied Surface Science
Volume: 526
Pages: 146684:1-12
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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