Broadband plasmon-induced charge separation and hydrogen generation dynamics

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H02051
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: FURUBE Akihiro 徳島大学, ポストLEDフォトニクス研究所, 教授 (30357933)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 光触媒 / プラズモン / 電荷分離 / ダイナミクス / 半導体薄膜 / ナノ材料

Outline of Final Research Achievements

The objectives were to fabricate a plasmon-induced charge separation system layered with gold nanostructure arrays and titanium oxide or transition metal dichalcogenide (TMDC) 2D materials, and to elucidate carrier dynamics using femtosecond transient absorption spectroscopy, as well as to quantitatively evaluate the electron transfer dynamics to the hydrogen evolution cocatalyst and the subsequent hydrogen bubble dynamics.
Titanium oxide thin films of 10~200 nm were fabricated on substrates with gold nanoparticle arrays, and a platinum cocatalyst was deposited. The photocatalytic performance showed high activity at the minimum film thickness. The charge separation and recombination dynamics in composite materials of gold nanoparticles and TMDC materials were elucidated.
A new spectroscopy system using an amplified femtosecond fiber laser was developed to replace the damaged light source.

Free Research Field

ナノ材料のキャリアダイナミクスと光エネルギー変換への応用

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

太陽光からエネルギーを生成する「人工光合成」が注目されているが、赤色や近赤外光の利用が難しいという課題がある。本研究では、金ナノ粒子と半導体薄膜を用いた広帯域で応答するプラズモン誘起電荷分離の量子効率向上を目指した。
特に酸化チタンの薄膜化の効果に着目し、検討範囲で最小の10nmが最適であることを実証し、以前のダイナミクス研究に基づく予想の検証に成功した。酸化チタン以外の半導体のナノシートが金ナノ粒子と電荷移動相互作用を示すことも確認した。水素バブル発生の観察は、実験装置の故障から実現できなかったが、プラズモン誘起電荷分離の量子効率向上を実現するための指針に関する様々な知見を得ることができた。