北大,植物を超える光吸収と光電流の発生に成功

北海道大学の研究グループは,金の反射フィルム上に厚さ約30nmの酸化チタンを成膜し,その上に金銀合金ナノ粒子を担持した光電極を用い,植物を超える可視光全域の光吸収と,それに伴う光電流発生,及び水酸化反応の高効率化に成功した(ニュースリリース)。

研究グループはこれまで,プラズモンを示す金属ナノ粒子と半導体を組み合わせることで,半導体単独では吸収できない波長の光を吸収し,水の光分解をはじめとする人工光合成の研究に取り組んできた。

最近では金ナノ粒子/酸化チタン/金フィルム構造(ATA構造)を用いることで,プラズモンと薄膜構造で閉じ込めた光同士を強く相互作用させる「強結合」と呼ばれる状態を作り,可視光波長域での光吸収効率と水分解効率の大幅な向上に成功した。

この光の「強結合」を用いた化学反応を活用することにより,可視光利用による人工光合成システムの反応効率を実用レベルまで引き上げられると期待されているが,その反応増強のメカニズムについては明らかとなっていなかった。

研究では,強結合の相互作用の強さ,すなわち結合強度を能動的に高めるために,振動子強度が大きな銀を加えた,金銀合金ナノ粒子を用いた金銀合金ナノ粒子/酸化チタン/金フィルム構造(AATA構造)を作製し,それを光電極として水を電子源とした光電流の発生とそれに伴う酸素の発生を観測した。

その結果,AATA電極は400-800nmの可視光領域で高い吸収を示し,強結合の形成に由来する吸収ピークの分裂が観測された。さらに,強結合の結合強度の尺度となる二つのピークの分裂幅は,AATA電極の方が従来のATA電極よりも大きく,「超結合」と呼ばれる領域に達した。AATAを光陽極として求めた入射光電流変換効率は波長580nmで4%に到達し,従来のATA電極と比べて2倍以上の効率増大に成功した。

さらに,可視光照射下での酸素発生量とファラデー効率を求めることで,計測された光電流が水の酸化に伴う酸素発生に由来することも実証した。以上から,強結合の結合強度を増大させることにより光化学反応効率を増強できることが明らかとなり,強結合の化学における構造設計指針を得ることに成功した。

研究グループは今回の研究成果が,水分解をはじめとした人工光合成の可視光領域での反応効率の飛躍的な向上と,強結合を利用した種々の光化学反応系や化学センサーの高効率・高感度化につながるとしている。

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