Unraveling the Fundamental Processes in Semiconducting Materials for Highly Active Photocatalysts

揭示高活性光催化剂半导体材料的基本过程

基本信息

批准号：
19F19042
负责人：
堂免一成
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では光触媒内部及び表面で光照射時に起こる過程をキャリアダイナミクスの観点から解析し，可視光応答型水分解用光触媒の高効率化に有効な構造・物性，およびそれらの機能を明らかにすることを目的としている．昨年度は光触媒と助触媒の相互作用を詳細に検討し, 助触媒による励起電荷の捕獲効率が光触媒活性に支配的な影響を及ぼしていることを明らかにした．今年度も助触媒の担持法や分散性が光触媒作用に及ぼす影響を継続して検討し，助触媒の高分散化や電子捕獲効率の重要性を示した．さらに，Zスキーム型光触媒シートの解析に取り組み，水素生成光触媒（HEP）と酸素生成光触媒（OEP）が共存した試料のキャリアダイナミクス解明の方法論を示した．一例をあげると，導電性基材にHEPとOEPの両方が固定されている場合の方が，HEPあるいはOEPのいずれか片方のみが固定されている場合に比べ，励起電子の濃度が高くなることを見出した．また，HEPとOEPの両方を励起すると，HEPのみを励起した場合に比べて電子が長寿命化されることがわかった．これらは，OEPの電子がHEPの正孔と再結合するZスキームの進行を反映している．また，導電層がない場合には再結合が促進された．このように，HEPとOEPが共存するZスキーム系の反応機構をキャリアダイナミクスの観点から実証したのは初めての例であると思われる．さらに，光触媒シートに対する表面修飾層，および助触媒担持の効果についても検討した．助触媒を担持することで励起電子の寿命は短くなったことから，助触媒への電子注入が起こったことがわかった．また，適切な表面修飾を施すことで，HEPから助触媒への電子注入の効率が向上すると同時にOEPに残存する励起正孔の濃度も増加し，それに伴い水分解活性も向上した．一連の結果から，表面修飾によって光触媒シート内部の電荷分離が一層促進されたことがわかった．

在本研究中，我们将从载流子动力学的角度分析光照射过程中光催化剂内部和表面发生的过程，并阐明可有效提高可见光响应水分解光催化剂效率的结构和物理性质，例如以及它们的功能。去年，我们详细研究了光催化剂和助催化剂之间的相互作用，发现助催化剂捕获激发电荷的效率对光催化活性具有主导影响。今年，我们继续研究助催化剂负载方法和分散性对光催化活性的影响，并证明了高度分散的助催化剂和电子捕获效率的重要性。此外，我们还对 Z 型光催化剂片进行了分析，并提出了一种阐明产氢光催化剂 (HEP) 和产氧光催化剂 (OEP) 共存样品的载流子动力学的方法。例如，当 HEP 和 OEP 都固定在导电基质上时，激发电子的浓度比仅固定 HEP 或 OEP 时更高。研究还发现，当 HEP 和 OEP 都被激发时，电子的寿命比仅 HEP 被激发时更长。这些反映了 OEP 电子与 HEP 空穴复合的 Z 方案的进展。此外，在不存在导电层的情况下促进了复合。这似乎是第一次从载流子动力学的角度论证HEP和OEP共存的Z型体系的反应机理。此外，还研究了表面改性层和负载催化剂对光催化剂片的影响。负载助催化剂缩短了激发电子的寿命，表明发生了电子注入助催化剂。此外，通过适当的表面修饰，提高了HEP向助催化剂的电子注入效率，同时OEP中残留的激发空穴浓度增加，水分解活性也相应提高。一系列结果表明，表面改性进一步促进了光催化剂片内部的电荷分离。