酸化物・窒化物光触媒結晶材料 信州⼤学⼯学部物質化学科 ⼿嶋・是津研究室 http://www.kankyo.shinshu-u.ac.jp/~teshimalab/ ＠ 結晶層の⼀段階作製 ➡ 基板表⾯の⼀部が原料 ➡ ビルドアッププロセス 従来の⽔分解光電極作製法︓粒⼦転写法 ① 光触媒粒⼦の合成 ② ③ ★Ta3N5／Ta光電極 基板 光触媒 導体層 ④ 基板 光触媒 ⑤ 基板 200 nm 新規法︓フラックスコーティング法 Ta3N5 光触媒 原料&フラックス ⼤気／NH3 基板(集電極) ★BaNbO2N／Nb光電極 光触媒 コンタクト層 基板(集電極) 加熱 @ 結晶⽣成過程の調査 ➡ in-situ観察・分析 8 助触媒 CoPi 電解液 K2HPO4+KOH (pH13) 光源 AM1.5G 6.5 mA·cm-2 @1.23 VRHE 6 1 µm 4 2 助触媒 CoOx 電解液 NaOH (pH13) 光源 AM1.5G 10 mV·s-1 Current density ＠ 光触媒結晶層の⼀段階作製 Current density / mA·cm-2 Point @ 結晶デザイン ➡ 結晶形状・配向制御 ➡ 形態の多様性 0 Ta 0.0 500 nm 0.5 1.0 Potential / VRHE 1.5 作製プロセスを減少，⼀般的な助触媒担持で⾼い光電流密度や低いオンセットポテンシャルを達成 ＠ 結晶デザイン ★Ba5Nb4O15結晶 ★NaTaO3結晶層 20 µA 0.1 0.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.5 1.0 Potential / VRHE CrystEngComm, 14, 7178-7183 (2012); CrystEngComm, 17, 9016-9019 (2015) NaTaO3 Ta 10 μm 2 μm 1 µm 板状 (c⾯発達) 樽状 NaTaO3／Ta ＠ 結晶⽣成過程の調査 ★Ba5Nb4O15結晶の⽣成過程 溶質: BaCO3, Nb2O5 BaCO3 フラックス: BaCl2 Nb2O5 BaCl2 1 µm 薄膜状NaTaO3／SrTiO3(100) NaTaO3がエピタキシャル成⻑ (10-1)NaTaO3//(100)SrTiO3 ★NaTaO3結晶層の形成過程 Ta源兼集電極: Ta箔 Na源兼フラックス: NaNO3 【in-situ XRD分析】 Ba5Nb4O15 1 µm 島状NaTaO3／SrTiO3(100) 原料，フラックス，加熱条件の選択により結晶の形状・形態を制御 100 nm BaCl2·2H2O 【in-situレーザー顕微鏡観察】 Au 27℃ 999℃ 281℃ 364℃ Intensity (arb.units) 932℃ 819℃ 50 µm NaNO3／Ta箔 733℃ NaNO3融液がTa箔上を移動 NaNO3の融解が進⾏ 439℃ 442℃ 441℃ 618℃ 420℃ 221℃ NaNO3のTa溶解により凹凸形成 0 4 5 3 0 3 5 2 0 2 5 1 0 1 24℃ NaNO3とTaが反応 【in-situ XRD分析】 311℃ : NaNO3ピーク消失 2θ / degree 室温 NaTaO3⽣成 475℃ : NaTaO3ピーク出現 約650℃ 約962℃ 1000℃ Ba5Nb4O15 の⽣成 BaCl2 の融解 オストワルド 熟成 NaNO3 Ta NaTaO3 Ta4O 31℃ 311℃ 20 μm BaCO3 Nb2O5 BaCl2·2H2O Ba5Nb4O15 BaCl2 BaCl2溶融塩 Cryst. Growth Des., 16, 3954-3960 (2016) in-situ観察により結晶⽣成過程を理解，作製条件の最適化に活⽤ 昇温 475℃ 500℃ 10 20 30 40 50 60 70 保持 80 CrystEngComm, 15, 4058-4061 (2013)
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