Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

光触媒 / 半導体 / 可視光 / 界面電荷移動 / 人工光合成 / 界面 / 励起

ナノクラスター／半導体複合体における界面電荷移動遷移（Interfacial Charge Transfer: IFCT）を用い、可視光応答光触媒を開発する。IFCTとして、半導体価電子帯からクラスターへの遷移（Band to Oxidant Charge Transfer: BOCT）と、クラスターから半導体の伝導帯への遷移（Reductant to Band Charge Transfer: RBCT）が知られる。本研究では、SrTiO3基板上にパルスレーザー堆積法とフォトリソグラフィー法によって成膜したCr2O3のパターン膜において、RBCT遷移が起こることをケルビンプローブ顕微鏡で明らかにし、さらにRBCT遷移で励起した電子と正孔の反応サイトについて、光触媒反応による粒子析出を原子間力顕微鏡で追跡することで明らかにした。具体的には、Cr2O3/SrTiO3のパターン化膜を水溶液に浸漬し励起光照射下のもと、酸化反応はマンガンイオンから酸化マンガンの析出、還元反応は金イオンから金を析出させ、酸化マンガンや金の析出する場所によって酸化サイトと還元サイトを特定した。この結果、活性サイトはいずれもパターン膜の界面（エッジ）の部分で、酸化マンガンはCr2O3側へ、金はSrTiO3に析出したことから、前者が酸化サイト、後者が還元サイトであった。すなわち、Cr2O3からSrTiO3にRBCT遷移することによって、前者に正孔が、後者に電子が生成することが示唆された。また、粒子析出の範囲がパターン膜エッジから数十ナノメートルであることから、電子と正孔の拡散距離も明らかにすることができた。プローブ顕微鏡技術と良く定義されたパターン化膜をもとに、異種半導体間での電荷移動を可視化することに成功した。

光触媒 / 環境浄化 / 酸化チタン / 界面電荷移動 / 可視光 / 酸化銅 / 助触媒環境浄化 / クラスター / 助触媒

酸化チタンをベースに極めて単純なプロセスでクラスター状のCuOxならびにTi(IV)の酸化物助触媒を共担持することで、高度な可視光型光触媒を開発することに成功した。こうした光触媒を模した薄膜モデルを構築し、分光学的手法、プローブ顕微鏡等によって酸化チタンと各種クラスターの電子構造を明らかにした。適切な仕事関数をもつ酸化物助触媒の選択、ならびに、大きさが数nmのクラスター構造であることが重要であることを見出した。本研究で開発した光触媒は空港などの室内空間での実証試験においても、顕著な抗菌・抗ウイルス、脱臭機能が発現することを確認し、実用化も果たした。

界面電荷移動遷移（IFCT）の直接的観察や、その励起が起こり得る酸化物の組み合わせ、そして、その原理を応用して高度な可視光応答型光触媒へと発展させたことは、学術的には意義が高い。学術的意義をまとめたPerspective Articleが2016年に米国化学会のJ. Phys. Chem. Lett.誌に発行され、その引用数は2019年6月時点で68に達している。
また、開発した光触媒は室内照明においても高度な抗菌・抗ウイルス特性が発現することを実証試験でも確認し、特許を2件成立させて内装建材として実用化も果たした。安全・安心な室内環境を提供できることから、社会的意義としても極めて高い。