イオン工学的手法による可視光応答型二酸化チタン薄膜光触媒の創製に関する研究

利用离子工程方法制备可见光响应二氧化钛薄膜光催化剂的研究

基本信息

批准号：
02J00628
负责人：
竹内雅人
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Osaka Prefecture University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

酸化チタン薄膜は高い光触媒活性を有するだけでなく、紫外光照射により水の接触角がゼロになる光誘起超親水性が発現することから、光機能性材料として注目されている。これまで、光誘起超親水性の発現機構として、酸化チタン表面に紫外光照射を行うと表面水酸基が新たに生成し、これにより水吸着が促進される機構が提案されているが、その機構を裏付ける実験結果はいまだに報告されていない。本研究では、酸化チタン表面光誘起超親水性の発現機構を解明することを目的とし、酸化チタン上に吸着した水分子の近赤外吸収測定を行った。大気中で測定したP-25の近赤外吸収スペクトルには、1940および1450nm付近に吸着水の逆対称伸縮と変角振動の結合音(asymr-ν_<OH>+δ_<OH>)、対称伸縮と逆対称伸縮振動の結合音(sym-ν_<OH>+asym-ν_<OH>)にそれぞれ帰属できる吸収バンドが観測できた。このうち、1940nm付近に観測できる吸収バンドを波形分離することで、吸着水クラスターを構成する水分子間に作用する水素結合の度合いに関する知見が得られることを見いだした。つまり、短波長側に観測されるピーク成分は気相の水分子に、長波長側に観測されるピーク成分は液相の水分子にそれぞれ対応し、前者は水素結合の寄与が少ない状態、後者は水素結合の多い状態であると解釈できる。さらに、これらの寄与する割合から水素結合の度合いを見積もることが可能であり、酸化物の表面水酸基と水分子との親和性などの物理的特性を簡単に評価できることも見いだした。この知見を踏まえて、酸化チタン上に吸着水が存在する系に紫外光照射を行うと、光照射時間に比例して水素結合の寄与が大きい水分子が主に減少することを見いだした。すなわち、光照射にともない、吸着水クラスターの水分子間に存在する水素結合の寄与が減少することは、水の表面張力が減少することを意味している。この光照射にともなう表面張力の減少が、酸化チタン表面で水が濡れ広がるドライビングフォースになると考えられる。

二氧化钛薄膜不仅具有高光催化活性，而且还表现出在紫外线照射下水的接触角变为零的光诱导超亲水性，因此作为光功能材料而受到关注。到目前为止，有人提出光诱导超亲水性的机制是当二氧化钛表面受到紫外线照射时，会产生新的表面羟基，从而促进水的吸附，但尚未有实验结果支持这一点。宣称。在这项研究中，我们对氧化钛上吸附的水分子进行了近红外吸收测量，目的是阐明氧化钛表面光致超亲水性的机制。在大气中测量的P-25的近红外吸收光谱包括吸附水的反对称伸缩和弯曲振动的组合声（asymr-ν_<OH>+δ_<OH>）和1940和1450 nm附近的对称声。观察到可分配给拉伸和反对称拉伸振动的组合声音（sym-ν_<OH>+asym-ν_<OH>）的吸收带。其中，我们发现，通过分离可在 1940 nm 附近观察到的吸收带的波形，我们可以获得有关构成吸附水簇的水分子之间作用的氢键程度的知识。换句话说，在短波长侧观察到的峰值成分对应于气相中的水分子，而在长波长侧观察到的峰值成分对应于液相中的水分子。前者对应于贡献很小的状态氢键，后者可以解释为具有许多氢键的状态。此外，他们发现可以根据这些贡献的比例来估计氢键的程度，并且可以容易地评估物理性质，例如氧化物表面羟基与水分子之间的亲和力。基于这一知识，研究人员发现，当用紫外线照射氧化钛上吸附有水的体系时，主要是氢键贡献较大的水分子与光照射时间成比例地减少。即，随着光照射，吸附水簇中的水分子之间存在的氢键的贡献减少意味着水的表面张力降低。据认为，与该光照射相关的表面张力的降低成为导致水润湿并在氧化钛表面上扩散的驱动力。