Efficiency improvement of semiconductor photocatalysts by multi-dimensional band endineering

通过多维能带工程提高半导体光催化剂的效率

基本信息

批准号：
21H04551
负责人：
杉山正和
金额：
$ 27.46万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

再生可能エネルギーの時間・空間的な偏在を克服して主要なエネルギー源とするために不可欠な燃料への転換を低コストで実現し得る技術として期待されている，太陽光からの水素直接製造を担う半導体光触媒について，半導体物理を基軸に学術的知見を蓄積して高効率化指針を構築するための基盤構築を進めた．光励起された電子・正孔の空間分離を行うために表面修飾される助触媒近傍での速度過程を探求するためのモデル系として，モデル半導体であるGaNエピタキシャル結晶表面に，助触媒のモデルとしてオーム性とショットキー性の2種の金属電極を形成し，かつGaNと2種の電極の電位を光触媒としての動作環境で同時計測できる新規構造の開発に成功した．具体的には，オーム性接触のコンタクト（電子を捕集する電極）としてPt/Ti/GaNを，ショットキー接触のコンタクト（正孔を捕集する電極）としてPt/GaNを，それぞれGaN表面にシャドーマスクを用いた真空蒸着法により櫛形電極構造をとって形成した．蒸着法を採用した理由は，フォトレジストを用いた微細加工プロセスによってGaN表面が汚染され得るが，金属電極形成後では効果的な表面洗浄が困難であると予期したためである．作製したモデル構造に電解液中で紫外光を照射したところ，水素の発生が確認され，本構造が助触媒を導入して水素発生効率を向上させた半導体光触媒のモデルとして動作することが実証された．なお，同時に発生しているはずの酸素については，現在測定を試みている．本モデル構造による解析では，光照射・水素発生中に半導体と2種の電極の電位をオペランド測定できることが従来にない利点である．現状では，測定された２つの電極の電位と水素発生・酸素発生の電極電位（酸化還元ポテンシャル）の間に不可解な関係があり，引き続き光照射条件等を変化させて解析を続ける予定である．

该公司一直在为建立基于半导体物理学的学术知识而建立高效的指南基础，以实现一种低成本的技术，该技术可以将可再生能源转换为燃料，这对于克服了时代和空间中可再生能源的不稳定分布至关重要，并且预计可以使能源能够实现高低的能源，从而使能够提供低调的能源。 As a model system for exploring the velocity process near the surface modified for spatial separation of photoexcited electrons and holes, we have successfully developed a new structure that allows two types of metal electrodes, ohmic and Schottky, to be formed as models for cocatalysts, on the surface of the GaN epitaxial crystal, which is a model semiconductor, and that allows the potentials of GaN and two types of electrodes to be同时在操作环境中作为光催化剂测量。具体而言，PT/Ti/gan是作为欧姆接触（收集电子的电极）形成的，PT/GAN被形成为Schottky接触（收集孔的电极），并形成PT/GAN作为Schottky接触（收集孔的电极）（收集孔的电极），并使用梳形的电子结构在van by a Fachum by a a a a Fachumum Deppotion形成。使用蒸气沉积的原因是，尽管使用光弹师的精细测量过程可以污染GAN表面，但预计在形成金属电极后，有效的表面清洁将很难。当制成的模型结构用紫外线在电解质中辐照时，确认了氢的生成，并证明该结构是通过引入cocatalyst来提高氢产生效率的半导体光催化剂的模型。此外，我们目前正在尝试测量氧气，这应该同时发生。使用这种模型结构的分析是一个前所未有的优势，即在光照射和氢生成过程中可以测量半导体和两种类型的电极的电势。当前，两个测得的电极的电势与产生氢和氧的电势（氧化还原电位）之间存在莫名其妙的关系，我们计划通过改变光照射条件来继续分析。