太陽光を用いる水の完全分解のための色素増感型光触媒の開発

开发利用阳光完全分解水的染料敏化光催化剂

基本信息

批准号：
08J02036
负责人：
萩原英久
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2009
项目状态：
已结题

项目摘要

従来の研究で、紫外光下で水の光分解活性を示すKTaO_3をポルフィリン系色素で表面修飾すると、活性が向上することを見出した。本研究では、色素修飾KTaO_3光触媒の電荷移動過程の解明を試みるとともに、水の光分解活性のさらなる活性向上について検討した。1電荷移動過程の解明:KTaO_3光触媒の蛍光寿命を測定したところ、色素修飾によってKTaO_3の蛍光寿命は数nsから数百psに減少しており、KTaO_3表面の色素へ速やかに電荷が移動することがわかった。色素修飾KTaO_3光触媒で水を光分解するためには、紫外光と可視光でKTaO_3と色素をそれぞれ光励起する必要があることから、色素修飾KTaO_3中の電荷移動機構は植物の光合成に類似した二段階励起であり、KTaO_3中の励起電子が色素へ移動することで電荷分離が達成されていることが明らかとなった。2助触媒の複合による活性向上:金属酸化物とPtを複合して助触媒に用いると、Pt粒子が金属酸化物に内包されたコア/シェル構造が形成され、Pt助触媒上での逆反応が抑制されて活性が大きく向上した。さらに、昨年度に報告した修飾色素の複合効果と組み合わせることで、H_2及びO_2の生成速度はそれぞれ3.96及び1.98mmol g_<cat>^<-1>h^<-1>に達した。この生成速度はPt/KTaO_3光触媒のH_2及びO_2の生成速度と比較して約2000倍に向上しており、生成したH_2量と照射した光エネルギーから求められるエネルギー変換効率は、約0.05%と算出された。以上の結果から、色素修飾は無機半導体光触媒の水の光分解活性を向上させる効果的な手法であり、長波長域に光吸収帯を有する色素を用いることで、太陽光エネルギーの有効利用が可能な光触媒の開発が可能であることを見出した。

前期研究发现，KTaO_3在紫外光下表现出水光解活性，用卟啉染料进行表面修饰可提高其活性。在本研究中，我们试图阐明染料修饰KTaO_3光催化剂的电荷转移过程，并研究进一步提高水光解活性。 1 电荷转移过程的阐明：当我们测量KTaO_3光催化剂的荧光寿命时，我们发现由于染料修饰，KTaO_3的荧光寿命从几ns减少到几百ps，这表明电荷快速转移到染料上在 KTaO_3 表面上。为了使用染料修饰的KTaO_3光催化剂光分解水，需要分别使用紫外光和可见光来光激发KTaO_3和染料，因此，染料修饰的KTaO_3中的电荷转移机制是两步的。类似于植物光合作用的过程表明，电荷分离是通过 KTaO_3 中的激发电子转移到染料来实现的。 2.通过组合助催化剂提高活性：当金属氧化物和Pt用作助催化剂时，形成核/壳结构，其中Pt颗粒被封装在金属氧化物中，并且在Pt co上发生逆反应-催化剂的增加受到抑制，活性大大提高。此外，结合去年报道的改性染料的综合作用，H_2和O_2的产率分别达到3.96和1.98 mmol g_<cat>^<-1>h^<-1>。该生成率比Pt/KTaO_3光催化剂的H_2和O_2生成率高约2000倍，由H_2生成量和照射光能量计算出的能量转换效率约为0.05%。由以上结果可知，染料改性是提高无机半导体光催化剂水光解活性的有效方法，并且通过使用在长波长区域具有光吸收带的染料，可以有效地利用太阳能。可以开发出光催化剂