作用スペクトル解析による光触媒活性構造の解明と設計

通过作用谱分析阐明和设计光催化活性结构

基本信息

批准号：
14050007
负责人：
大谷文章
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

半導体粉末の懸濁液における光触媒反応は、一般の化学反応系と違って、酸化剤・還元剤を必要としないので、副生成物を生じない。酸化チタン半導体などの粉末懸濁液を用いる光触媒反応はバンドギャップエネルギー(Eg)を越えるエネルギーを持つ光を照射すれば起こると考えられており、反応生成物や速度に対する吸収波長依存性はほとんど問題にされてこなかった。しかし、超高速分光法により光励起初期過程を検討した結果、Egと同程度の場合とEgを大きく越えるエネルギーの光を照射した場合では、電子-正孔の再結合挙動が大きくことなることを明らかにした。したがって、全体の反応速度に及ぼす再結合速度の影響のどあいによって、波長依存性が生じることがおおいに期待できる。また、結晶構造がことなる酸化チタンを使う場合にはその吸収波長域がことなるため、作用スペクトルを解析することにより、反応に有効な結晶構造を同定することできると予想される。本研究では、定常光照射下における各種半導体光触媒反応の反応速度(光子利用率)と生成物選択性を調べて作用スペクトルを取得し、これを解析することによって、従来見逃されてきた吸収エネルギーの違いに基づく反応挙動の違いを明らかにするとともに、光触媒反応に有効な活性構造の同定と、反応機構の解析を行った。その結果、アナタース・ルチル結晶混合物酸化チタンを用いる光触媒反応の波長依存性を調べ、吸収スペクトルと比較することにより、アナタース・ルチル結晶相のいずれが光触媒として作用しているのかを初めて明らかにすることができ、同じ酸化チタン粉末を用いても光触媒反応の種類により活性な結晶相がことなることがわかった。結晶構造の影響が明らかになった数種類の酸化チタン試料を用い、光強度を変化させて作用スペクトルを測定した結果、反応系によって、光強度依存性を示す系(酢酸酸化分解)と示さない系(水素発生系)があることがわかった。

与一般化学反应系统不同，半导体粉末悬浮液中的光催化反应不需要氧化剂或还原剂，因此不会产生副产物。使用氧化钛半导体等粉末悬浮液的光催化反应被认为是在能量超过带隙能量（Eg）的光照射时发生的，并且吸收波长对反应产物和速度的依赖性几乎没有得到解决。像这样。然而，通过使用超高速光谱检查光激发的初始过程，我们发现，当用与Eg相同能量的光照射时，以及当用Eg的能量照射时，电子和空穴的复合行为显着不同。能量大大超过了我做到的。因此，根据复合速率对总反应速率的影响，预计会出现波长依赖性。此外，当使用具有不同晶体结构的氧化钛时，它们的吸收波长范围不同，因此期望通过分析作用光谱，可以识别对反应有效的晶体结构。在本研究中，我们研究了恒定光照射下各种半导体光催化反应的反应速率（光子利用率）和产物选择性，获得了作用光谱，并对此进行了分析，以研究过去被忽视的吸收能。基于这些差异澄清了反应行为的差异，我们确定了对光催化反应有效的活性结构并分析了反应机理。结果，通过研究使用锐钛矿/金红石晶体混合物氧化钛的光催化反应的波长依赖性并将其与吸收光谱进行比较，我们首次阐明了锐钛矿/金红石晶体相中的哪一种充当光催化剂。发现即使使用相同的氧化钛粉末，根据光催化反应的类型，活性晶相也不同。使用已经阐明了晶体结构的影响的几种氧化钛样品，我们通过改变光强度来测量反应光谱，我们发现一些系统表现出光强度依赖性（乙酸氧化分解）。而其他人则没有（氢气生成系统）。