【研究領域課題番号】18K13784 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光触媒 / 光電極 / 第一原理計算 / 雰囲気XPS / 界面 / バンドアラインメント / 水分解 / 半導体 / 電解液 / AP-XPS / 光電気化学 / 界面化学 / 水素製造

【研究成果の概要】

本研究では、雰囲気光電子分光(XPS)および、第一原理計算によって、光触媒/電解液界面を解析した。第一原理モデリングに関しては光触媒の動作環境下の界面を過剰電荷を含んだ界面の計算によって模擬する方法を提案した。また、同手法を用いて予測した光触媒/電解液界面構造の時間発展をモデル化し、雰囲気XPS実験結果と比較した。その結果、界面の幾何構造のみならず、その電子構造(電子準位接続)が第一原理計算によって予測されたとおりになっていることを示すことができた。また、表面改質したものに関する検討も行い、表面改質による表面幾何構造および界面電子準位接続への影響を明らかにすることができた。

【研究の社会的意義】

界面のような複雑な系に関して、第一原理計算はいまだに現象の説明に利用されることが多いが、本研究では界面構造さらにはその時間発展を第一原理計算によって予測し、これを実験的に確認できたことは意義深い。これによって界面を反応場とする触媒材料を筆頭とする多岐にわたる材料を計算機の上で設計することが期待される。また、本研究では、動作環境を模擬した計算を行ったことも、実デバイスの設計に役立つと考えられる。また、本研究で明らかになった界面の幾何構造と電子準位接続の関係は界面・表面物性の研究にとって有益である。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究領域課題番号】18H03772 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光触媒 / 半導体物理 / 界面準位 / バンドアラインメント / 水分解 / 水素 / 光起電力 / 半導体

【研究成果の概要】

半導体光触媒として単結晶基板を用い，電解液界面でのバンド曲がりや光起電力に，半導体表面の欠陥準位や電解液由来の化学種が与える影響を系統的に調査した．解析対象としたGaN，SrTiO3，TiO2はいずれも電解液との界面にショットキー接合的なバンドアラインメントを形成したが，半導体表面の結晶欠陥のみならず表面化学種が光励起キャリアの再結合中心となり光照射下でフェルミ準位をピニングし，擬フェルミエネルギーが水素・酸素生成に必要な電位に達することを阻害する現象が顕著に観察された．また，水素生成助触媒として用いられるPtは仕事関数からの予想に反してGaNやSTOとオーム性接触していることが確認された．

【研究の社会的意義】

半導体光触媒の材料探索には，バンド端のエネルギーと水素・酸素発生電位との整合関係が高効率水分解の指標として主に考慮されてきた．本研究により，実際に水素・酸素発生の進行を司る光励起キャリアの擬フェルミエネルギーは，バンド端のエネルギーのみならず半導体／電解液界面での欠陥や半導体表面の化学種を介したキャリアの再結合により，とくに光強度が十分でない場合にピニングされることが明らかになった．本研究で開発した開放電圧を幅広い光強度範囲で観察する手法により，このようなフェルミエネルギーのピニングを定量化することが可能となり，高効率光触媒に必要な半導体の表面処理を最適化する指針が見出された．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】44,720千円 (直接経費: 34,400千円、間接経費: 10,320千円)