革新的設計指針に基づくプラズモニック光触媒の高効率化

基于创新设计准则的高效率等离子体光催化剂

基本信息

批准号：
20H02706
负责人：
西弘泰
金额：
$ 11.4万
依托单位：
University of Toyama (2022)The University of Tokyo (2020-2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、これまでにない革新的な設計指針でプラズモニック光触媒を高効率化することを目的としている。昨年度、プラズモン誘起電荷分離によって金ナノ粒子上で部位選択的に駆動できる酸化鉛の酸化析出反応と、ガルバニック置換反応を利用することで、酸化反応の助触媒である酸化マンガンをナノ粒子上に部位選択的に導入することに成功した。本年度は、助触媒の導入部位によってプラズモニック光触媒の効率が変化する原因を検討し、正孔が注入される助触媒と、電子が注入される酸化チタンが空間的に離れていることが高効率化に重要であると結論付けた。この成果から、助触媒の導入部位を制御するという、新しいプラズモニック光触媒の設計指針を得ることができた。これまでは金ナノ粒子上に部位選択的に導入できる物質が酸化鉛にほぼ限られていたため、本研究で酸化マンガンの導入が可能となったことで、他の様々な酸化物助触媒も同様に導入できると考えられる。さらに、上記のような酸化反応による物質の導入だけでなく、還元反応による導入も検討した。透明電極上に担持した金ナノ粒子に電位を印加しながら光を照射し、銀の還元反応を駆動したところ、励起するプラズモン共鳴モードに対応した共鳴サイトで銀の析出が起こることが明らかになった。これにより、酸化物だけでなく、金属助触媒などをプラズモニックナノ粒子上に導入できる可能性が示された。その他にも、金ナノ粒子の集合状態と吸収特性、電気化学応答との相関などに関する知見も得られた。また、金属ナノ粒子上での酸化鉛の析出反応を研究する中で、直線偏光照射下で酸化鉛自身の光電気化学的な成長を行うと、偏光方向に沿ってナノバンドアレイ構造が形成されることを見出した。プラズモニックナノ粒子を用いない新しい光ナノ加工法として、新たな研究対象となりうると考えられる。

这项研究的目的是利用前所未有的创新设计指南来提高等离子体光催化剂的效率。去年，我们开发了一种利用氧化铅的氧化沉淀反应将氧化锰（氧化反应的促进剂）定位在纳米粒子上的方法，该方法可以通过等离子体诱导的电荷分离在金纳米粒子上进行位点选择性驱动，并成功选择性地引入了电偶取代反应。今年，我们研究了等离激元光催化剂效率随助催化剂的引入位置变化的原因，得出的结论是，这对于等离子体光催化剂的效率很重要。从这个结果中，我们能够获得等离子体光催化剂的新设计指南，其中涉及控制助催化剂的引入位点。到目前为止，可以位点选择性地引入到金纳米粒子上的物质几乎仅限于氧化铅，但这项研究使得引入氧化锰成为可能，这也使得引入各种其他氧化物助催化剂成为可能。它可以被引入此外，除了如上所述通过氧化反应引入物质之外，我们还研究了通过还原反应引入物质。当负载在透明电极上的金纳米粒子在施加电势以驱动银的还原反应的同时用光照射时，表明在与激发的等离子体共振模式相对应的共振位点处发生银沉淀。这证明了不仅可以将氧化物而且可以将金属促进剂引入到等离子体纳米颗粒上。此外，还获得了关于金纳米颗粒的聚集状态、吸收特性和电化学响应之间的相关性的研究结果。此外，在研究氧化铅在金属纳米粒子上的沉淀反应时，我们发现当氧化铅本身在线性偏振光照射下进行光电化学生长时，沿着偏振方向形成纳米带阵列结构。作为一种不使用等离子体纳米颗粒的新型光学纳米加工方法，这被认为是一个新的研究课题。